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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven nicht-katalytischen Reduktion von Stickoxiden in Abgasen, bei welchem Verfahren ein Reduktionsmittel über wenigstens eine Düse in wenigstens einer Sprühebene in das Abgas einer Feuerungsanlage eingedüst wird und die Temperatur des Abgases erfasst oder ermittelt wird, um das Reduktionsmittel in einem vorbestimmten Temperaturbereich des Abgases durch Beaufschlagen der Düsen mit Reduktionsmittel in den einzelnen Sprühebenen in das Abgas 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 Abgasströmung im Abgaskanal und sind in Strömungsrichtung des Abgases hintereinander angeordnet.
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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.
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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 Abgas enthaltenen Stickoxide in Wasserdampf und Stickstoff und Kohlendioxid (bei der Verwendung von Harnstoff) umsetzen:
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
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Bei der Verwendung von Harnstoff entsteht zunächst Ammoniak:
NH2CONH2 + H2O → 2NH3 + CO2
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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.
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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.
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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.
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Insbesondere bei der Rostfeuerung, bei der der Brennstoff auf einem Rost verbrennt, erfolgt die Verbrennung über den Querschnitt zudem nicht homogen. Es sind daher, im Querschnitt des Abgaskanals gesehen, Bereiche mit hoher Stickoxidkonzentration und Bereiche mit vergleichsweise geringer Stickoxidkonzentration vorhanden. Es wird daher, über den Querschnitt gesehen, in den verschiedenen Bereichen eine unterschiedliche Menge an Reduktionsmittel benötigt, um eine effiziente Entstickung zu ermöglichen.
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Es ist aus der
DE 10 2018 101 865 A1 der Anmelderin bekannt, den Rost in unterschiedliche Bereiche aufzuteilen und die Entstickung für jeden Bereich unabhängig voneinander durchzuführen. Die Düsen einer Düsenebene zum Eindüsen des Reduktionsmittels sind unabhängig voneinander mit dem Reduktionsmittel beaufschlagbar, so dass in jedem Querschnittsbereich eine individuelle Menge Reduktionsmittel zugeführt werden kann.
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Zur Steuerung der Reduktionsmittelmenge wird der Verbrennungsvorgang anhand der Zusammensetzung des zugeführten Brennstoffs simuliert und die sich ergebende Stickoxidverteilung über den Querschnitt berechnet. Eine Kontrolle der Wirksamkeit der durchgeführten Maßnahmen erfolgt durch eine Messung des NO
x-Gehaltes am Ende des Abgaskanals in Strömungsrichtung hinter der Entstickungszone. Eine mögliche Berechnung des Stickoxidgehalts im Brennstoff und der daraus resultierenden Entstickungsmaßnahme werden in der
DE 10 2014 118 190 A1 beschrieben.
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Aus der
DE 20 2014 004 495 U1 ist es bekannt, die Entstickungsmaßnahme anhand von Prognosen und Berechnungen des Stickoxidgehalts in der Entstickungszone zu optimieren. Tatsächlich erfolgt die Steuerung der Reduktionsmittelzugabe aber lediglich anhand von Prognosen und Berechnungen der bei der Verbrennung entstehenden Abgase und der sich daraus ergebenden Stickoxidmenge und -verteilung. Ungenauigkeiten sind daher nicht zu vermeiden. Insbesondere können kurzfristige Schwankungen der Abgaszusammensetzung nicht rechtzeitig erkannt werden, da die Kontrolle erst nach der Entstickungszone durchgeführt wird.
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Für eine bessere Steuerung wäre es insbesondere wünschenswert, die Verteilung der Stickoxide vor der Eindüsung des Reduktionsmittels zu kennen. Der Stickoxidgehalt im Abgas kann durch sogenannte in situ Messungen mit entsprechenden Messeinrichtungen in ausreichender Genauigkeit erfolgen. Allerdings ist der Temperaturbereich, in dem die Messungen erfolgen können, beschränkt auf Temperaturen unterhalb 500°C. In Strömungsrichtung vor der Entstickungszone herrschen jedoch deutlich höhere Temperaturen, die eine in situ Messung des Stickoxidgehalts in diesem Bereich bislang nicht möglich machen.
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Ein bekanntes Messverfahren ist die Laserspektrographie. Hier besteht ein Problem bei der Messgenauigkeit durch die Anwesenheit von Wasserdampf in den Abgasen, der ein ähnliches Spektrographiebild erzeugt. Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, dass Laserspektrographen auch bei höheren Temperaturen, wie sie beispielsweise vor der Entstickungszone im Abgas herrschen, einsetzbar sind. Weiterhin erlauben diese Laserspektrographen zudem eine gute Unterscheidung der Spektrographien von Stickoxiden und Wasser, welche für die zu treffenden Entstickungsmaßnahmen ausreichend ist.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art so auszubilden, dass ein gezielter und wirksamer Reduktionsmitteleinsatz und somit ein sparsamer Reduktionsmittelverbrauch möglich ist.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass der Stickoxidgehalt im Abgas in Strömungsrichtung des Abgases vor der Entstickungszone gemessen oder erfasst wird, und dass anhand des ermittelten Stickoxidgehalts die zuzuführende Menge Reduktionsmittel ermittelt und über die Düsen in das Abgas eingedüst wird. Durch die unmittelbare Messung des Stickoxidgehaltes im Abgas vor der Enstickungszone kann eine rechtzeitige oder zumindest zeitnahe Beeinflussung des Reduktionsverfahrens derart erfolgen, dass ein gezielter und sparsamer Reduktionsmittelverbrauch möglich ist. Die Messung des Stickoxidgehaltes kann beispielsweise in einem Temperaturbereich von 1.000°C bis 1.200°C erfolgen. Solche Temperaturen herrschen im Abgas in Strömungsrichtung vor der Entstickungszone.
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Durch eine zusätzliche Temperaturmessung des Abgases im Bereich der Entstickungszone kann zudem die Sprühebene in dem bevorzugten Temperaturfenster für die Entstickung ausgewählt werden. Damit wird die Entstickung weiter optimiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere Messungen des Stickoxidgehalts in einer Ebene des Abgaskanals in Strömungsrichtung vor der Entstickungszone durchgeführt werden, um eine Verteilung der Stickoxide über den Querschnitt zu erhalten, und dass die Düsen einer Sprühebene in Abhängigkeit von der ermittelten Stickoxidverteilung über den Querschnitt mit dem Reduktionsmittel beaufschlagt werden. Insbesondere wird der Stickoxidgehalt im Abgas mittels der Laserspektroskopie gemessen.
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Bei der Laserspektroskopie erfolgt die Messung des Stickoxidgehalts in einer Messebene entlang von Messpfaden, die den Abgaskanal durchsetzen. Der Empfänger kann dabei auf der gegenüberliegenden Wandung des Abgaskanals angeordnet sein. Auch können Sender und Empfänger auf der gleichen Wand des Abgaskanals angeordnet sein. Dann wird das an der gegenüberliegenden Wand reflektierte Licht empfange und ausgewertet. Diese Messverfahren sind bekannt und bedürfen daher keiner weiteren Erläuterung.
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Anhand der entlang der Messpfade ermittelten Stickoxidgehalte im Abgas kann eine Topographie des Stickoxidgehaltes in der Messebene ermittelt werden, anhand der die Menge des Stickoxidgehaltes in dem jeweiligen Querschnittsbereichs ermittelt werden kann. Anhand dieser Ergebnisse können die einzelnen Düsen in den einzelnen Sprühebenen individuell und zeitnah mit dem Reduktionsmittel in der gewünschten Menge beaufschlagt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Abgaskanal von mehreren Messpfaden in Form eines Gitters durchsetzt wird. Es ist dann möglich, die Verteilung der Stickoxide über dem Querschnitt zu erhalten. Anhand dieser Verteilung der Stickoxide und des Stickoxidgehalts kann zum einen die insgesamt zuzuführende Reduktionsmittelmange ermittelt werden. Anhand der ermittelten Verteilung können die einzelnen Düsen der einzelnen Sprühebene individuell mit der dort erforderlichen Menge an Reduktionsmittel beaufschlagt werden.
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Zusammen mit der Temperaturmessung im Abgas kann somit erreicht werden, dass in dem bevorzugten Temperaturfenster des Abgases in einem Querschnittsbereich des Abgaskanals über die dort vorhandenen Düsen zumindest näherungsweise genau die erforderliche Menge Reduktionsmittel zugeführt wird. Es liegt auf der Hand, dass damit nicht nur die Entstickung optimiert sondern auch der Schlupf an Reduktionsmittel reduziert werden kann.
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Wieviele Messpfade den Abgaskanal vor der Entstickungszone durchsetzen ist grundsätzlich beliebig und hängt auch von der Größe von dessen Querschnitt ab. Es ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass der Abgaskanal von mindestens vier Messpfaden durchsetzt wird, von denen zwei durch Messgeräte auf einer Wandung und zwei durch Messgeräte auf einer benachbarten Wandung erzeugt werden. Damit erhält man ausreichend genaue Ergebnisse, anhand welcher die Verteilung des Stickoxidgehalts über dem Querschnitt ausreichend genau ermittelt werden kann, um die einzelnen Sprühdüsen in den einzelnen Sprühebenen entsprechend ansteuern zu können.
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Die Laserspektrographie liefert die Messergebnisse relativ zeitnah. Eine in situ Messung des Stickoxidgehalts und einer Ermittlung der Verteilung der Stickoxide im Abgaskanal kann daher sehr schnell erfolgen, so dass die Entstickungsmaßnahme nahezu ohne Zeitverzögerung an unterschiedliche und sich laufend ändernde Verbrennungsvorgänge angepasst werden kann. Dies war früher erst mit erheblicher Zeitverzögerung möglich, als die Stickoxidmessung erst am Ende des Abgaskanals erfolgte.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der oben beschriebenen Art. Es ist vorgesehen, dass wenigstens ein Messgerät zum in situ Erfassen des Stickoxidgehalts im Abgas in Strömungsrichtung des Abgases vor der Entstickungszone angeordnet ist. Besonders zweckmäßig ist es, wenn an oder in zwei benachbarten Begrenzungswandungen in einer Querschnittsebene des Abgaskanals jeweils wenigstens zwei Messgeräte vorhanden sind, deren Messpfade den Abgaskanalquerschnitt in einer Ebene gitterförmig durchsetzen. Damit kann die gewünschte Verteilung der Stickoxide über den Querschnitt und die sich anschließende Ansteuerung und Beaufschlagung der einzelnen Sprühdüsen in den einzelnen Sprühebenen zeitnah erfolgen.
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Als Messgerät kann ein Laserspektrographie-Messgerät verwendet werden. Derartige Mesgeräte sind bekannt und bedürfen daher keiner weitere Erläuterung. Sie erlauben eine Messung des Stickoxidgehalts entlang eines Messpfads mit ausreichender Genauigkeit und bei relativ hohen Temperaturen, so dass eine in situ Messung des Stickoxidgehalts entlang dieses Messpfades und eine Ermittlung der Sickoxidverteilung über den Querschnitt möglich ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch den Abgaskanal einer Feuerungsanlage und
- 2 a-d verschiedene Querschnitte durch den Abgaskanal in 1.
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Die in 1 lediglich schematisch dargestellte Feuerung 11 von Brennstoffen mündet in einen Rauchgas- oder Abgaskanal 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.
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In Strömungsrichtung 13 des Abgases hinter der Feuerung 11 ist eine Messebene 14 ausgebildet, die sich senkrecht zur Strömungsrichtung und somit senkrecht zum Abgaskanal 12 erstreckt und in der der Stickoxidgehalt des Abgases gemessen wird. Es sind hierfür mehrere Messgeräte 15 vorgesehen, die als Laserspektrographen ausgebildet sind. Diese Geräte können den Stickoxidgehalt entlang von geradlinigen Messpfaden 16 erfassen, die den Abgaskanal senkrecht zur Strömungsrichtung 13 in der Messebene 14 durchlaufen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sechs Messgeräte in einer Messebene 14 vorhanden, deren Messpfade 16 den Rauchgaskanal 13 gitterförmig durchsetzen. Die Messgeräte oder -sensoren können aber auch in mehreren Ebenen angeordnet werden. Eine solche Anordnung der Messgeräte erlaubt eine Ermittlung der Verteilung der Stickoxide über den Querschnitt des Abgaskanals 12.
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Aufgrund des Einsatzes der Laserspektroskopie ist es möglich, die Messungen bei höheren Temperaturen durchzuführen. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Messebene 14 in Strömungsrichtung 13 vor den Sprühebenen 17, 18, 19 mit den einzelnen Einsprühdüsen 20 für das Reduktionsmittel angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, die Verteilung der Stickoxide im Abgas über den Querschnitt vor der Entstickungszone 21 zu ermitteln.
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Mit Hilfe dieser so ermittelten Verteilung der Stickoxide über den Querschnitt können die Düsen 20 jeder Sprühebene 17, 18, 19 individuell und gezielt mit der jeweils erforderlichen Menge an Reduktionsmittel beaufschlagt werden. Die Entstickungszone 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.
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Aufgrund der in der Messebene 14 erfassten und ermittelten Verteilung der Stickoxidgehalts im Abgas über den Querschnitt ist es möglich, jede einzelne Düse mit der jeweils in ihrem Wirkungsbereich erforderlichen Reduktionsmittelmenge exakt und zeitnah anzusteuern. Es wird somit eine wirksame Entstickung bei geringem Reduktionsmittelschlupf erreicht.
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Es kann zudem in einer weiteren Messebene 22 die Temperaturverteilung über den Querschnitt erfasst und ermittelt werden. Die Messebene 22 kann in Strömungsrichtung 13 vor oder hinter der Messebene 14 liegen und sich senkrecht zum Kanal 12 erstrecken. Die Messebenen 14 und 22 können aber auch zusammenfallen. Die Temperaturmessung kann in bekannter Weise mittels Pyrometer erfolgen. Auch hier können mehrere Temperaturmessungen in einer Ebene erfolgen, um die Temperaturverteilung über den Querschnitt des Abgaskanals zu erfassen. Dieses Messverfahren ist allgemein bekannt und bedarf daher keiner weiteren Erläuterung. Damit ist es zusammen mit der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases möglich, die Abgastemperatur und deren Verteilung über den Querschnitt im Bereich der Sprühebenen 17, 18, 19 zu ermitteln. So kann das Reduktionsmittel zudem in dem für die Entstickung günstigen Temperaturfenster zwischen 850°C und 1.050°C in dem jeweiligen Querschnittsbereich in das Abgas eingedüst werden.
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Insgesamt gelingt es durch diese Maßnahme, die Entstickung weiter zu optimieren. Es werden in Strömungsrichtung 13 vor der Entstickungszone 21 jeweils eine Topographie der Stickoxidverteilung und der Temperaturverteilung über den Querschnitt des Abgaskanals ermittelt. Aufgrund dieser Verteilung kann eine gezielte und besonders effektive Entstickung der Abgase erfolgen. Insbesondere kann die Ansteuerung zeitnah erfolgen, so dass eine besonders wirksame Entstickung ohne zu hohen Reduktionsmittelschlupf erreicht werden kann. Die eingesetzten Ventile und Pumpen für das Reduktionsmittel sowie deren Steuerungen erlauben sehr kurze Reaktionszeiten, so dass eine sehr schnelle Anpassung der Entstickungsmaßnahme an die erfassten und sich ändernden Bedingungen möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0426978 B1 [0003]
- DE 69416137 T2 [0007]
- DE 102018101865 A1 [0009]
- DE 102014118190 A1 [0010]
- DE 202014004495 U1 [0011]
