-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven nicht-katalytischen Reduktion von Stickoxiden in Rauchgasen, bei welchem Verfahren ein Reduktionsmittel über wenigstens eine Düse in wenigstens einer Sprühebene in das Rauchgas einer Feuerungsanlage eingedüst wird und die Temperatur des Rauchgases erfasst oder ermittelt wird, um das Reduktionsmittel in einem vorbestimmten Temperaturbereich des Rauchgases durch Beaufschlagen der Düsen mit Reduktionsmittel in den einzelnen Sprühebenen in das Rauchgas einzudüsen. Auch betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Düsenebenen erstrecken sich dabei quer, also senkrecht oder in einem anderen Winkel, zur Rauchgasströmung im Rauchgaskanal und sind in Strömungsrichtung des Rauchgases hintereinander angeordnet.
-
Bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen und von Abfällen entstehen in den Rauch- oder Abgasen Stickoxide (NOx), die die Umwelt belasten. Wegen der immer strenger werdenden Abgasvorschriften ist es daher erforderlich, die bereits bekannten Verfahren zur 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.
-
Ein bewährtes Entstickungsverfahren 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 in wässriger Lösung eingesetzt, die durch Thermolyse die im Rauchgas 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 Rauchgastemperatur 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.
-
Ein Verfahren zur selektiven nicht-katalytischen Reduktion von Rauchgasen ist in der
US 2006/0011115 A1 . Hier wird das Ammoniak in einer Ebene in den Rauchgaskanal bei einer Temperatur zwischen 422°C und 788°C eingedüst. In der
US 2016/0158701 A1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Rauchgasentschwefelungsanlage durch die Veränderung einer Vielzahl von Parametern optimiert wird. Für die Optimierung einer Rauchgasentstickungsanlage wird die Änderung der Menge des zugeführten Ammoniaks vorgeschlagen.
-
Bei höheren Temperaturen nehmen der NH
3-Schlupf und die Umsetzung der Stickoxide ab. Bei geringeren Temperaturen nehmen der NH
3-Schlupf und die Umsetzung der Stickoxide zu. Es ist daher beispielsweise aus der
DE 694 16 137 T2 bekannt, das Reduktionsmittel in verschiedenen Ebenen zuzuführen. Damit kann die Reduktion in dem günstigen Temperaturfenster erfolgen.
-
Es hat sich weiterhin gezeigt, dass das Maß der Entstickung auch von der Güte der Verbrennung, also deren Vollständigkeit abhängt. In den Bereichen des Rauchgases, in denen die Verbrennung noch nicht abgeschlossen ist und ein Überschuss an Kohlenmonoxid (CO) vorliegt, zeigt die Zugabe eines Reduktionsmittels keine oder nur eine eingeschränkte Wirkung.
-
Insbesondere bei der Rostfeuerung, bei der der Brennstoff auf einem Rost verbrennt, erfolgt die Verbrennung über den Querschnitt nicht homogen. Es sind daher, im Querschnitt des Rauchgaskanals gesehen, Bereiche mit nahezu vollständiger und unvollständiger Verbrennung vorhanden.
-
Die Bereiche mit vollständiger oder unvollständiger Verbrennung können nicht immer anhand der dort herrschenden Temperatur erkannt werden. Gleichwohl wäre es wünschenswert, das Reduktionsmittel nur oder überwiegend in solchen Bereichen einzudüsen, in denen die Verbrennung abgeschlossen ist.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art so auszubilden, dass ein gezielter und wirksamer Reduktionsmitteleinsatz und somit ein sparsamer Reduktionsmittelverbrauch möglich ist.
-
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass in wenigstens einer Messebene die Rauchgastrübung über den Querschnitt des Rauchgaskanals mittels mehrerer Sensoren erfasst oder ermittelt wird, und dass anhand der Flammentrübung eine Aussage über die Vollständigkeit der Verbrennung getroffen wird, anhand welcher einzelne Düsen einer Sprühebene zu- oder abgeschaltet werden, um das Reduktionsmittel nur in solchen Bereichen einzudüsen, in denen die Verbrennung weitestgehend abgeschlossen ist. Durch die Erfassung der Rauchgastrübung ist es möglich festzustellen, in welchen Querschnittsbereichen die Verbrennung am weitesten oder am wenigsten weit fortgeschritten ist.
-
Es kann zudem eine Aussage darüber getroffen werden, an welcher Stelle in Strömungsrichtung in dem betreffenden Querschnittsbereich die Verbrennung weitgehend abgeschlossen sein wird. Dann kann das Reduktionsmittel über die Düsen in diesem Querschnittsbereich und in der betreffenden Sprühebene zugegeben werden. Zusammen mit der Temperaturerfassung ist daher ein gezielter Einsatz des Reduktionsmittels möglich, da das Reduktionsmittel nur in Bereiche eingedüst wird, in denen die Verbrennung weitgehend abgeschlossen ist und gleichzeitig eine günstige Temperatur herrscht. Die Entstickung wird damit noch effektiver.
-
Wie die einzelnen Düsen zu- oder abgeschaltet oder auch gedrosselt werden, ist grundsätzlich beliebig. Grundsätzlich ist es möglich, die Düsen einer Sprühebene einzeln oder in Gruppen in Abhängigkeit von der erfassten oder ermittelten Rauchgastrübung mit Reduktionsmittel zu beaufschlagen. Es können beispielsweise drei Sprühebenen mit jeweils sechs Düsen vorgesehen werden, die separat zu- oder abgeschaltet werden können. Dadurch lässt sich der Ort der Eindüsung des Reduktionsmittels sowohl in Rauchgasströmungsrichtung als auch über den Rauchgaskanalquerschnitt gut verändern und an die Gegebenheiten der Verbrennung anpassen.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Messebene in Strömungsrichtung vor oder zwischen den Sprühebenen liegt. Die Sensoren können dann die Rauchgastrübung gut erfassen, und eine Aussage über die Vollständigkeit der Verbrennung kann getroffen werden. Die in Strömungsrichtung weiter hinten liegenden Düsen können dann entsprechend angesteuert werden. Grundsätzlich kann die Messebene in Strömungsrichtung auch hinter den Sprühebenen liegen.
-
Es ist zweckmäßig, wenn zumindest anhand der Verbrennungsparameter und/oder des eingesetzten Brennstoffs der Gesamtbedarf des einzudüsenden Reduktionsmittels erfasst wird, der anhand der erfassten oder ermittelten Rauchgastrübung und Rauchgastemperatur entsprechend über den Querschnitt und über die Sprühebenen verteilt in das Rauchgas eingedüst wird. Der Gesamtbedarf an Reduktionsmittel kann insbesondere bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen gut vorab bestimmt werden. Auch kann der Gesamtbedarf des Reduktionsmittels durch Messungen des NOx-Gehalts hinter der Entstickungszone ermittelt werden. Durch die weiterhin aufgrund der Rauchgastrübung gegebenen Verfahrensparameter kann die Verteilung des Gesamtbedarfs des Reduktionsmittels derart erfolgen, dass ein besserer Entstickungsgrad bei gleichem Reduktionsmitteleinsatz erreicht wird. Auch kann der Reduktionsmittelschlupf reduziert werden.
-
Es ist hierbei günstig, wenn die Düsen so ausgebildet sind, dass nicht nur ein Zu- oder Abschalten sondern auch eine Drosselung möglich ist. Damit kann eine bessere Dosierung des Reduktionsmittels erfolgen.
-
Als Messsensoren für die Rauchgastrübung können sogenannte Strahlungspyrometer zum Einsatz kommen, die grundsätzlich bekannt sind und daher keiner weiteren Erläuterung bedürfen. Mit solchen Strahlungspyrometern kann insbesondere die Rauchgastemperatur erfasst werden. Gleichzeitig liefern diese Strahlungspyrometer aber auch einen Wert zur Rauchgastrübung, der für das erfindungsgemäße Verfahren benötigt wird.
-
In der Messebene können beispielsweise sechs oder acht Strahlungspyrometer vorhanden sein, die den Rauchgaskanal in unterschiedlichen Querschnittsbereichen durchdringen. Es lässt sich somit eine 2D-Darstellung sowohl der Temperaturverteilung als auch der Rauchgastrübung über den Rauchgaskanalquerschnitt ermitteln. Grundsätzlich kann mit mehreren Messebenen auch eine 3D-Darstellung sowohl der Temperaturverteilung als auch der Rauchgastrübung über einen Rauchgaskanalabschnitt ermittelt werden.
-
Anhand der festgestellten Werte über die Rauchgastrübung und der Temperatur kann eine Aussage über die Vollständigkeit der Verbrennung und der Rauchgastemperatur weiter in Strömungsrichtung erfolgen, wo die Reduktionszone für das Rauchgas angeordnet ist. Anhand dieser Aussage können dann die einzelnen Düsen einer Ebene zu- oder abgeschaltet oder gedrosselt werden.
-
Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung zur selektiven nicht-katalytischen Reduktion von Rauchgasen wird ein Reduktionsmittel über wenigstens eine Düse und insbesondere über mehrere Düsen in wenigstens einer im Rauchgaskanal angeordneten Sprühebene in das Rauchgas einer Feuerungsanlage in Abhängigkeit der erfassten oder ermittelten Rauchgastemperatur eingedüst. Es ist vorgesehen, dass wenigstens ein Sensor oder mehrere Sensoren vorhanden sind, um die Rauchgastrübung über den Querschnitt des Rauchgaskanals in wenigstens einer Messebene zu erfassen, und dass Steuerungsmittel vorgesehen sind, um die Düsen in einer oder mehreren Sprühebenen unabhängig voneinander in Abhängigkeit von der Rauchgastrübung mit Reduktionsmittel zu beaufschlagen. Eine solche Vorrichtung erlaubt eine flexiblere und gezieltere Zugabe des zuzuführenden Reduktionsmittels. Eine effektivere Entstickung des Rauchgases ist damit möglich.
-
Es kann vorgesehen werden, dass die Sensoren zum Erfassen der Rauchgastrübung in einer Messebene quer zur Strömungsrichtung des Rauchgases im Rauchgaskanal angeordnet sind. Durch mehrere Sensoren beispielsweise in den Wänden des Rauchgaskanals in der Messebene kann eine Verteilung der Rauchgastrübung über den Querschnitt erhalten oder ermittelt werden, anhand welcher Verteilung eine Ansteuerung der Düsen erfolgen kann.
-
Es ist günstig, wenn die Messebene in Strömungsrichtung des Rauchgases vor den Sprühebenen liegt. Dann werden die Messergebnisse nicht durch das eingedüste Reduktionsmittel beeinflusst.
-
In jedem Fall ist es zweckmäßig, wenn der Sensor als Strahlungspyrometer ausgebildet ist. Mit einem Strahlungspyrometer können sowohl die Temperatur als auch die Rauchgastrübung gleichzeitig erfasst werden. Es ist daher möglich, sowohl eine Verteilung der Rauchgastrübung und somit der Güte der Verbrennung als auch eine Temperaturverteilung über den Querschnitt zu erhalten. Beide Verteilungen können herangezogen werden, um eine effektive Entstickung durch eine entsprechende Beaufschlagung der einzelnen Düsen in den jeweiligen Sprühebenen zu bewirken.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch den Rauchgaskanal einer Feuerungsanlage und
- 2 a-d verschiedene Querschnitte durch den Rauchgaskanal in 1.
-
Die in 1 lediglich schematisch dargestellte Feuerung 11 von Brennstoffen mündet in einen Rauchgas- oder Rauchgaskanal 12, der in der Zeichnung vertikal verläuft. Grundsätzlich kann der Rauchgaskanal aber auch schräg oder horizontal verlaufen. Die weiteren Einbauten der Feuerungsanlage, wie Wärmetauscher und dergleichen, sind der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.
-
In Strömungsrichtung 13 des Rauchgases hinter der Feuerung 11 ist eine Messebene 14 vorhanden, in der mehrere Messsensoren 15 zum Erfassen der Temperatur und/oder der Rauchgastrübung entlang jeweils eines den Rauchgaskanal senkrecht zur Strömungsrichtung 13 durchlaufenden Messpfades 16 angeordnet sind. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sechs Messsensoren 15 in einer Messebene 14 vorhanden, deren Messpfade 16 den Rauchgaskanal 13 gitterförmig durchsetzen. Die Messsensoren können aber auch in mehreren Ebenen angeordnet werden, die in Strömungsrichtung vor, zwischen oder hinter den Sprühebenen 17, 18, 19 für das Reduktionsmittel liegen können.
-
Die Messsensoren 15 können als Strahlungspyrometer ausgebildet sein, durch welche sowohl eine Temperaturmessung als auch eine Erfassung der Rauchgastrübung möglich ist. Derartige Sensoren sind bekannt und bedürfen daher keiner weiteren Erläuterung.
-
Mit Hilfe dieser Messsensoren 15 kann die Temperaturverteilung und die Verteilung der Rauchgastrübung über den Querschnitt der Messebene 14 ermittelt werden. Die Temperatur- und Trübungsverteilung können zur Steuerung der in Strömungsrichtung 13 weiter hinten liegenden Entstickungseinrichtung 21 herangezogen werden. Die Entstickungseinrichtung 21 ist als SNCR-Anlage ausgebildet und umfasst mehrere Sprühebenen und Düsen, mit denen das Reduktionsmittel über nicht gezeigte Förder- und/oder Dosierpumpen in den Rauchgasstrom eingedüst werden kann. Dieses Verfahren ist ebenfalls grundsätzlich bekannt und bedarf daher keiner weiteren Erläuterung.
-
Die Entstickungseinrichtung 21 umfasst hier drei Sprühebenen 17, 18, 19, die jeweils sechs Düsen 20, 20', 20'', 20''' zum Eindüsen des Reduktionsmittels in den Rauchgasstrom aufweisen. Die Düsen 20 können im Gegenstrom- oder im Gleichstromprinzip zum Rauchgasstrom arbeiten. Die Düsen 20 können aber auch entlang der Kanalwandung 21 in einer Sprühebene 17, 18, 19 angeordnet sein und eine Hauptsprührichtung senkrecht oder schräg zur Rauchgasströmung 13 besitzen. In jedem Fall werden durch die einzelnen Düsen 20, 20', 20'', 20''' unterschiedliche Bereiche des Rauchgaskanalquerschnitts in einer Ebene abgedeckt. Auch sind Kombinationen der verschiedenen Düsen möglich. Die Düsen 20, 20', 20'', 20''' jeder Sprühebene 17, 18, 19 sind einzeln ansteuerbar und mit dem Reduktionsmittel beaufschlagbar. Insbesondere können einzelne Düsen 20, 20', 20'', 20''' zu- oder abgeschaltet oder gedrosselt werden, so dass durch jede Düse ein bestimmbarer oder vorgebbarer Volumenstrom an Reduktionsmittel eingebracht werden kann.
-
Aufgrund des bekannten oder zumindest näherungsweise bestimmbaren Volumenstroms des Rauchgases im Rauchgaskanal 13 und der sich daraus ergebenen Strömungsgeschwindigkeit des Rauchgases durch den Rauchgaskanal 12 sowie der bekannten oder ermittelbaren Wärmeverluste kann der Temperaturverlauf in Strömungs-richtung 13 und die Rauchgastemperatur in den jeweiligen Sprühebenen 17, 18, 19 der Entstickungseinrichtung 16 und über den Querschnitt bestimmt werden.
-
Aufgrund der in der Messebene 14 erfassten Rauchgastrübung und deren Verteilung über den Rauchgaskanalquerschnitt sowie der Strömungsgeschwindigkeit des Rauchgases kann eine Aussage über den Fortschritt der Verbrennung in den einzelnen Bereichen des Rauchgaskanalquerschnitts getroffen werden. Auch kann durch die ermittelte Temperaturverteilung über den Querschnitt in der Messebene 14 die Temperaturverteilung in den jeweiligen Sprühebenen ermittelt werden.
-
Dies macht sich die Erfindung zunutze, indem die erfasste oder berechnete Verteilung der Rauchgastrübung über den Querschnitt und die sich hieraus ergebende Güte oder Vollständigkeit der Verbrennung über den Querschnitt in den einzelnen Sprühebenen 17, 18, 19 ermittelt wird. Die Erfindung nutzt hierbei aus, dass im Rauchgaskanal 13 eine Durchmischung des Rauchgases quer zur Strömungsrichtung nicht oder nur im geringen Ausmaß stattfindet. Diese Verteilung kann als weitere Stellgröße zur Steuerung der einzelnen Düsen 20, 20', 20'', 20''' in den jeweiligen Sprühebenen 17, 18, 19 herangezogen werden. Es ist daher möglich, die Beaufschlagung jeder einzelnen Düse mit Reduktionsmittel individuell anzupassen, so dass die Entstickungsmaßnahme effektiv ablaufen kann.
