DE102022108299A1

DE102022108299A1 - Verfahren zur Regelung der Eindüsung von Reduktionsmitteln und Rauchgas-Entstickungsanlage

Info

Publication number: DE102022108299A1
Application number: DE102022108299.7A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schüttenhelm; Sascha Krüger
Original assignee: Eew Energy From Waste GmbH
Current assignee: Eew Energy From Waste GmbH
Priority date: 2022-04-06
Filing date: 2022-04-06
Publication date: 2023-10-12

Abstract

Verfahren zur Regelung der Eindüsung von Reduktionsmitteln (R) zur selektiven nicht-katalytischen Reduktion (SNCR) bei der Entstickung von Rauchgas in einem Rauchgaszug (3) eines Kessels (1), wobei die Temperaturen in mehreren vertikal über einander liegenden Ebenen des Rauchgaszuges (3) gemessen, Temperaturgradienten (Thorizontaln; Thorizontaln - 1, ..., Thorizontaln - x) zwischen den gemessenen Temperaturen bestimmt und das Reduktionsmittel (R) in den mehreren vertikal übereinander liegenden Ebenen in den Rauchgaszug (3) in einer von den bestimmten Temperaturgradienten (Thorizontaln; Thorizontaln - 1, ..., Thorizontaln - x) abhängigen Menge eingedüst werden. Dabei wird mindestens eine weitere das Temperatur-Verweilzeitverhalten des Rauchgases beeinflussende Größe, die aus der Gruppe Sauerstoffgehalt (O2) im Bereich des Kesselaustritts, Reduktionsmittel-Schlupf, Kessellast oder Rostgeschwindigkeit (RG) ausgewählt ist, erfasst und es erfolgt eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung des Reduktionsmittels (R) zu vertikal höher oder niedriger liegenden Ebenen des Rauchgaszuges (3) in Abhängigkeit der erfassten mindestens einen weiteren Größe.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Eindüsung von Reduktionsmitteln zur selektiven nicht-katalytischen Reduktion (SNCR) bei der Entstickung von Rauchgas in einem Rauchgaszug eines Kessels, wobei die Temperaturen in mehreren vertikal übereinander liegenden Ebenen des Rauchgazuges gemessen, Temperaturgradienten zwischen den gemessenen Temperaturen bestimmt und das Reduktionsmittel in den mehreren vertikal übereinander liegenden Ebenen in den Rauchgaszug in einer von dem bestimmten Temperaturgradienten abhängigen Menge eingedüst werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Rauchgas-Entstickungsanlage zur Entstickung von Rauchgas in einem Rauchgaszug eines Kessels mit Düsen im Rauchgaszug zum Eindüsen von Reduktionsmitteln zur selektiven nicht-katalytischen Reduktion (SNCR) und mit Temperatursensoren, die zur Messung der Temperaturen in mehreren vertikal übereinander liegenden Ebenen des Rauchgaszuges angeordnet sind, wobei die jeweils über die Düsen eingedüste Menge an Reduktionsmittel mit einer Regelungseinheit individuell regelbar ist.
Die Rauchgasentstickung durch selektive nicht-katalytische Reduktion (SNCR) von Stickoxiden mittels Eindüsung von Reduktionsmitteln in wässriger Lösung oder gasförmig in die heißen Abgase ist hinreichend bekannt. Als Reduktionsmittel werden dabei Harnstoff und/oder Ammoniakwasser eingesetzt.
K. J. Thome-Kozmiensky, M. Beckmann: Energie aus Abfall, Band 8, TK Verlag, Neuruppin, 2011 offenbart die selektive katalytische Reduktion (SCR) und die selektive nicht-katalytische Reduktion (SNCR) im Detail. Dort beschreibt B. von der Heide im Kapitel „Das SNCR-Verfahren - Entwicklungsstand und Perspektiven“, S. 683-706 ein Anlagenkonzept, bei dem die Harnstofflösung oder Ammoniakwasser als Reduktionsmittel unter Zugabe Wasser und Druckluft in mehreren Ebenen des Rauchgaszuges engedüst werden. Hierbei erfolgt eine temperaturgeführte Einzellanzenumschaltung. Zur Verbesserung des Temperaturprofils und zur Vermeidung extremer NOx-Spitzen sollen die im Rauchgaszug ermittelten Temperaturen zusätzlich zur Regelung der SNCR-Anlage auch für die Feuerungsleistungsregelung bzw. die Steuerung der Verbrennungsluft genutzt werden. Damit sollen die Strömung und das Temperaturprofil im Abgas noch während des Verbrennungsprozesses vergleichmäßigt werden, bevor die Reaktionsmittel eingedüst werden, um die SNCR-Regelung zu entlasten und ein Schwingen der Regelung zu verhindern, da die Umschaltung weniger oft erfolgen müsste. Damit sollen die NOx-Reingaskonzentrationen vergleichmäßigt werden.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Regelung der Eindüsung von Reduktionsmitteln zur selektiven nicht-katalytischen Reduktion bei der Entstickung von Rauchgas in einem Rauchgaskamin eines Kessels sowie eine verbesserte Rauchgas-Entstickungsanlage zu schaffen.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und der Rauchgas-Entstickungsanlage mit dem Merkmal des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Es wird vorgeschlagen, dass über die Temperaturregelung hinaus mindestens eine weitere die Temperatur-Verweilzeit des Rauchgases beeinflussende Größe erfasst wird, die aus der Gruppe Sauerstoffgehalt im Bereich des Kesselaustritts, Reduktionsmittel-Schlupf, Kessellast oder Rostgeschwindigkeit ausgewählt ist. Es erfolgt dann eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung des Reduktionsmittels zu vertikal höher oder niedriger liegenden Ebenen des Rauchgaszuges in Abhängigkeit der erfassten mindestens einen weiteren Größe.
Damit erfolgt die Eindüsungsverteilung nicht ausschließlich in Abhängigkeit von dem vertikalen Temperaturgradienten im Rauchgaszug. Vielmehr erfolgt eine Anpassung in Abhängigkeit von den lokalen Verweilzeitverteilungen. Dabei kann die Eindüsung in eine tiefere Temperaturebene mit geringerer Temperatur hin verschoben werden, wenn dort die Strömungsgeschwindigkeit bzw. die daraus resultierende Verweilzeit des Rauchgases höher ist. Damit lässt sich eine Stickstoffreduktion auch bei geringerer Rauchgastemperatur mit akzeptablem Schlupf des Reduktionsmittels erreichen.
So kann der Sauerstoffgehalt (O₂) erfasst werden, wobei eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung zu den tiefer zum Kessel hin gelegenen Eindüsungsstellen erfolgt, wenn der Sauerstoffgehalt von einem Sollwert zu höheren Werten hin abweicht oder der Sauerstoffgehalt im Vergleich zu einem zeitlich vorhergehenden Wert zunimmt. Hingegen erfolgt eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung zu den höher in Richtung des Auslasses des Zuges hin gelegenen Eindüsungsstellen, wenn der Sauerstoffgehalt von einem Sollwert zu tieferen Werten hin abweicht oder der Sauerstoffgehalt im Vergleich zu einem zeitlich vorhergehenden Wert abnimmt.
Die verweilzeitbezogene Zuordnung der Eindüsungen in vertikaler Richtung des Rauchgaszuges erfolgt damit mithilfe des erfassten Sauerstoffgehalts, der eine Kenngröße für die Verweilzeit und die Strömungsgeschwindigkeit ist. Eine schnelle Änderung des Sauerstoffgehalts von einem Sollwert zeigt indirekt eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Verweilzeit an. Bei steigendem Sauerstoffwert steigt die Strömungsgeschwindigkeit an. Die Abweichung des erfassten Sauerstoffgehalts vom Sollwert zu höheren Werten hin führt zu einer Verschiebung der Eindüsung zu den tiefer gelegenen, wärmeren Eindüsungsstellen. Die Abweichung des erfassten Sauerstoffgehalts zu tieferen Werten führt zu einer Verschiebung der Eindüsung zu den höher gelegenen, kälteren Eindüsungsstellen.
Der Sauerstoffgehalt wird hierbei vorzugsweise am Ende des Kessels im Übergang zu dem Rauchgaszug erfasst, d. h. am Kesselende bzw. im Feuerraum.
Alternativ hierzu oder zusätzlich kann der Reduktionsmittel-Schlupf erfasst werden. Dann erfolgt eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung zu den tiefer zum Kessel hin gelegenen Eindüsungsstellen, wenn der Schlupf von einem Sollwert zu höheren Werten hin abweicht oder der Schlupf im Vergleich zu einem zeitlich vorhergehenden Schlupfwert zunimmt. Andernfalls erfolgt eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung zu den höher zum Auslass des Rauchgaszuges hin gelegenen Eindüsungsstellen, wenn der Schlupf von einem Sollwert zu tieferen Werten hin abweicht oder der Schlupf im Vergleich zu einem zeitlich vorhergehenden Schlupfwert abnimmt.
Der Schlupf kann hierbei von einem Economiser oder am Kesselende im Übergang zu dem Rauchgaszug erfasst werden.
Dabei kann der Schlupf in situ oder extraktiv gemessen werden. Die In-situ-Messung des Schlupfes hat den Vorteil eines schnelleren Signals, d. h. einer schnelleren Messreaktion als bei der extraktiven Messung, die aber immer noch ein verwertbares Signal liefert.
Die Abweichung des gemessenen Schlupfes zu einem Sollwert wird als Signal für die vertikale Verschiebung der Eindüsung des Reduktionsmittels genutzt. Die Abweichung des gemessenen Schlupfes vom Sollwert zu höheren Werten führt zu einer Verschiebung der Eindüsung zu den tiefer gelegenen, wärmeren Eindüsungsstellen. Die Abweichung des gemessenen Schlupfes vom Sollwert zu tieferen Werten führt zu einer Verschiebung der Eindüsung zu den höher gelegenen, kälteren Eindüsungsstellen.
Vorteilhaft ist es, wenn der Schlupf als Netz, d. h. vertikal und horizontal im Rauchgaskamin gemessen wird. Damit wird eine genauere Zuordnung der Schlupfwerte zu den Eindüsungsstellen einer Vertikalachse ermöglicht.
Alternativ oder zusätzlich kann die Kessellast erfasst werden. Dann erfolgt eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung zu den tiefer zum Kessel hin gelegenen Eindüsungsstellen, wenn die Kessellast von einem Sollwert zu tieferen Werten hin abweicht oder die Kessellast im Vergleich zu einem zeitlich vorhergehenden Wert der Kessellast abnimmt. Andernfalls erfolgt eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung zu den höher zum Auslass des Rauchgaszuges hin gelegenen Eindüsungsstellen, wenn die Kessellast von einem Sollwert zu höheren Werten hin abweicht oder die Kessellast im Vergleich zu einem zeitlich vorhergehenden Wert der Kessellast zunimmt.
Damit wird ausgenutzt, dass eine schnelle Laständerung eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit und somit der Verweilzeit anzeigt. Die Abweichung der Kessellast vom Sollwert zu höheren Werten führt dann zu einer Verschiebung der Eindüsung zu den höher gelegenen, kälteren Eindüsungsstellen. Die Abweichung der erfassten Kessellast vom Sollwert zu tieferen Werten führt zu einer Verschiebung der Eindüsung zu den tiefer gelegenen, wärmeren Eindüsungsstellen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Rostgeschwindigkeit eines das Verbrennungsgut im Kessel befördernden Rostes erfasst werden. Dann erfolgt eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung zu den tiefer zum Kessel hin gelegenen Eindüsungsstellen, wenn die Rostgeschwindigkeit von einem Sollwert zu höheren Werten hin abweicht oder die Rostgeschwindigkeit im Vergleich zu einem zeitlich vorhergehenden Wert der Rostgeschwindigkeit zunimmt. Andernfalls erfolgt eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung zu den höheren zum Auslass des Rauchgaszuges hin gelegenen Eindüsungsstellen, wenn die Rostgeschwindigkeit von einem Sollwert zu tieferen Werten hin abweicht oder die Rostgeschwindigkeit im Vergleich zu einem zeitlich vorhergehenden Wert der Rostgeschwindigkeit abnimmt.
Damit wird ausgenutzt, dass die Rostgeschwindigkeit einen Einfluss auf die Abbrandgeschwindigkeit des Brennstoffs und somit auf die Strömungsgeschwindigkeit bzw. die Verweilzeit hat. Eine Abweichung der Rostgeschwindigkeit von einem Sollwert zu höheren Geschwindigkeiten führt zu einer Verschiebung der Eindüsung zu den tiefer gelegenen, wärmeren Eindüsungsstellen. Hingegen führt eine Abweichung der erfassten Rostgeschwindigkeit von einem Sollwert zu tieferen Geschwindigkeiten zu einer Verschiebung der Eindüsung zu den höher gelegenen, kälteren Eindüsungsstellen.
Die im Rauchgaszug erfassten Temperaturgradienten und die mindestens eine weitere erfasste Größe, d. h. Sauerstoffgehalt, Reduktionsmittel-Schlupf, Kessellast und/oder Rostgeschwindigkeit, können einem PID-Regler zugeführt werden. Die Ausgänge des PID-Reglers können dann mit Gewichtungsfaktoren multipliziert und aufaddiert werden. Der Ausgang des PID-Reglers wird dann zur Regelung der Eindüsungsverteilung des Reduktionsmittels im Rauchgaszug genutzt.
Die Gewichtungsfaktoren können vordefiniert sein. Vorteilhaft ist es, wenn die Gewichtungsfaktoren mithilfe eines selbstlernenden, neuronalen Netzes bestimmt werden. Sie können dabei adaptiv nachgelernt werden. Denkbar ist auch, dass die Gewichtungsfaktoren mithilfe eines selbstlernenden, neuronalen Netzes in einer Einrichtungsphase angelernt und dann in einer späteren Betriebsphase unverändert (konstant) gehalten werden.
Die mindestens eine weitere Größe, welche die Strömungsgeschwindigkeit bzw. die daraus resultierende Verweilzeit charakterisiert, kann an mehreren vertikal und horizontal verteilt angeordneten Positionen im Rauchgaszug erfasst werden. Dies ist insbesondere für die Erfassung des Ammoniak-Schlupfes von Vorteil.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

1 - Skizze einer Rauchgas-Entstickungsanlage;
2 - Flussdiagramm eines Verfahrens zur Regelung der Eindüsung von Reduktionsmitteln zur selektiven nicht-katalytischen Reduktion für eine Rauchgas-Entstickungsanlage aus 1 ;
3 - Skizze eines Economisers mit horizontalen und vertikalen Lasersensoren zur Schlupfmessung;
4 - Funktionsdiagramm des Verfahrens zur Regelung der Eindüsung von Reduktionsmitteln mithilfe von künstlicher Intelligenz.

1 zeigt eine Skizze einer Verbrennungsanlage mit einem Kessel 1, in dem Verbrennungsgut beispielsweise auf beweglichen Rosten 8 im Kessel 1 befördert und verbrannt wird. Hierbei kann es sich um eine Abfallverbrennungsanlage handeln, bei der verfeuerbare Abfälle im Kessel 1 verbrannt und verwertet werden.
An den Kessel 1 schließt sich in vertikaler Richtung oberhalb ein Feuerraum 2 an den Kesselaustritt des Kessels 1 an. Der Feuerraum 2 geht in einen Rauchgaszug 3 über. Dieser erstreckt sich wie dargestellt in vertikaler Richtung nach oben, kann aber auch mit mindestens einer Biegung U-förmig oder andersförmig sein und weitere, sich in vertikaler Richtung wieder nach unten zur Ebene des Feuerraums 2 hin erstreckende Abschnitte haben.
Das bei der Verbrennung anfallende Rauchgas wird nach dem Rauchgaszug 3 in einer Rauchgasreinigung von diversen Schadstoffen befreit (u. a. HCl, SO₂, HF, Dioxine und Furane, Quecksilber, Staub usw.) und in die Atmosphäre abgeleitet. Es enthält Schadstoffe, die möglichst weitgehend aus dem Rauchgas entfernt werden sollten. Die Stickoxide (NO_x) können nicht im herkömmlichen Sinne einer abscheidenden Rauchgasreinigung aus dem Rauchgas entfernt werden. Entweder kommen SCR-Katalysatoren oder der SNCR-Prozess zum Einsatz.
Die Entstickung des Rauchgases in dem Rauchgaszug 3 erfolgt durch die selektive nicht-katalytische Reduktion (SNCR), indem Reduktionsmittel in den Rauchgaszug 3 eingedüst wird. Das SNCR-Verfahren ist für Abfallverbrennungsanlagen, Ersatzbrennstoff-Verbrennungsanlagen (EBS), Biomasse-Verbrennungsanlagen und fossilgefeuerte Dampferzeuger (Kessel) geeignet. Es hat sich für Rostfeuerungen aller Art (mit Vorschub, Rückschub, Walzen, horizontal oder geneigt) bewährt.
Zur Eindüsung des Reduktionsmittels sind in mehreren vertikalen Ebenen n, n - 1, n - 2, ..., n - x Eindüsungsstellen 4 mit Düsen (auch als Eindüsungslanzen bezeichnet) vorhanden. Diese können wie dargestellt auf jeweils einer Eindüsungsebene n, n - 1, n - 2, n - x über den Umfang des Rauchgaszuges 3 verteilt angeordnet sein. Sie können gemeinsam mit einer Zufuhrleitung 5 pro Eindüsungsebene n, n - 1, n - 2, n -x verbunden und pro Ebene gemeinsam angesteuert werden. Die einzelnen Düsen 4 können aber auch jeweils individuell mit einer einzelnen Zufuhrleitung 5 verbunden sein, um so nicht nur die Menge des pro Eindüsungsebene eingedüsten Reduktionsmittels in vertikaler Richtung individuell zu regeln, sondern auch die Verteilung des Reduktionsmittels in der jeweiligen horizontalen Fläche der jeweiligen Eindüsungsebene variabel anpassen zu können.
Die Düsen 4 sind bevorzugt an den zugänglichen Wänden des Rauchgaszuges 3 angeordnet, d. h. in der Praxis der Vorderwand (auch Frontwand genannt) und den Seitenwänden. Die Rückwand ist ggf. nicht zugänglich, beispielsweise weil die Rückwand die Zwischenwand zwischen einem aufsteigenden Abschnitt und einem um 180° umgelenkten absteigenden Abschnitt des Rauchgaszugs bildet oder gleichzeitig eine mit Filtern bestückte Wand eines Schadstofffilterabschnitts ist, der sich an den zur NO_x-Entstickung vorgesehenen umgelenkten Rauchgaszug 3 anschließt.
Als Reduktionsmittel kann beispielsweise Ammoniak NH₃, Harnstoff CH₄N₂O oder andere ammoniak- oder ammoniumhaltige Reduktionsmittel eingesetzt werden. Hierbei kann das Reduktionsmittel R als wässrige Lösung gegebenenfalls unter Zusatz eines Wasserstroms W mit Druckluft A über die jeweilige Leitung 5 der jeweiligen Eindüsungsstelle 4 zugeführt werden.
Im Rauchgaszug 3 reagiert dann das Reduktionsmittel R mit dem im Rauchgas enthaltenen Stickstoff. Dabei reagiert NH₂, _RAD mit Stickstoffmonoxid NO zu Stickstoff N₂ und Wasserdampf. Der Anteil der Abscheidungsbildung von NO_x und des Ammoniakschlupfs (NH₃-Schlupf in mg/Nm³) hängt von der Temperatur des Rauchgases ab. Zudem ist der NOx-Abscheidungsgrad (in Prozent) auch insbesondere vom Sauerstoffgehalt O₂ und der Verweilzeit des Rauchgases in der Eindüsungsebene und damit von der Reaktionszeit abhängig.
Zur selektiven nicht-katalytischen Reduktion wird Ammoniak NH₃ als wässrige Lösung bei Temperaturen zwischen 900 °C und 1000 °C in mehreren Ebenen direkt in den Feuerraum 2 eingedüst. Es reagiert dort mit Stickstoffmonoxid NO zu Stickstoff und Wasserdampf nach der Formel: 4 NO + 4 NH₃ + O2 → 4 N2 + 6 H₂O.
Bei der Eindüsung von Harnstoff NH₂CONH₂ anstelle von Ammoniak reagiert dieser unter zusätzlicher Freisetzung von Kohlendioxid nach der Formel: NH₂CONH₂ + H₂O → 2 NH₃ + CO₂.
In beiden Varianten tritt ein Ammoniakschlupf im Abgas auf. Um einen möglichst hohen NO_x-Abscheidungsgrad bei möglichst geringem NH₃-Schlupf zu erreichen, wird die Eindüsung des Reduktionsmittels temperaturabhängig so geregelt, dass diese bei der optimalen Rauchgastemperatur erfolgt. Während der Ammoniakschlupf mit größer werdender Temperatur annähernd exponentiell abnimmt, nimmt auch die NO-Reduktionsrate ein Maximum bei einer Temperatur von etwa 950 °C wieder ab.
Zur Messung der Rauchgastemperatur in den einzelnen Ebenen n, n - 1, n - 2, n - x sind in diesen Eindüsungsebenen oder, wie dargestellt, versetzt hierzu Temperatursensoren 6 am Rauchgaszug 3 angeordnet. Hier können für jede Ebene mehrere Temperatursensoren 6 vorhanden sein, um die Temperaturverteilung in der Fläche der jeweiligen Ebene zu erfassen. Damit wird die Temperaturverteilung im Strahlungszug (Temperaturtomographie) auf einer Messebene erfasst. Die Zuordnung der Eindüsungsstellen 4 auf einer der Ebene entsprechenden Temperaturtomographie wird als horizontale Zuordnung bezeichnet. So kann eine Regelung der Eindüsung des Reduktionsmittels R in den Eindüsungsstellen 4 auf einer Temperaturebene oder gegebenenfalls auch auf mehreren Ebenen so angepasst werden, dass die Eindüsung in den Rauchgasstrom erfolgt, der eine optimale Temperatur zur Entstickung des Rauchgases hat, bei dem dann auch neben einer hohen NO_x-Abscheidung auch ein möglichst geringer NH₃-Schlupft auftritt.
Für die vertikale Zuordnung der Eindüsungsstellen 4 (vertikal im Sinne der Achse des Rauchgaszuges 3 bzw. der unter einander angeordneten Eindüsungsstellen 4) erfolgt mithilfe der mehreren Temperaturmessebenen. Mithilfe der vertikal übereinander auf mehreren Temperaturmessebenen angeordneten Temperatursensoren 6 können Temperaturgradienten im Rauchgaszug 3 erfasst werden, um somit einen Prozesswert zur Regelung der vertikalen Zuordnung der Eindüsungsstellen 4 zu erhalten.
Ein Problem ist jedoch, dass die vertikalen Temperaturgradienten zum einen durch den Zustand der Membranwand (sauber oder belegt, mit oder ohne Zustellung) und darüber hinaus auch durch die Strahlungswärmeübertragung nicht-linear über die Höhe des Rauchgaszuges 3 sind.
Ein weiterer Einfluss ergibt sich aus der Strömungsgeschwindigkeit des Rauchgases bzw. der daraus resultierenden Verweilzeit. Die selektive nicht-katalytische Reduktion kann bei hinreichender Verweilzeit bereits bei niedrigeren Temperaturen im Bereich von 830 °C bis 850 °C mit akzeptablem Ammoniakschlupf von deutlich unter 10 mg pro Nm³ betrieben werden. Bei solchen Temperaturen wären an sich wesentlich höhere Ammoniakschlupfwerte zu erwarten.
Daher ist eine Erfassung mindestens einer weiteren Größe vorgesehen, die das Temperatur-Verweilzeitverhalten des Rauchgases beeinflusst. Hierbei handelt es sich um mindestens eine der Größen Sauerstoffgehalt O₂ im Bereich des Kesselaustritts, Ammoniakschlupf, Kessellast oder Rostgeschwindigkeit. Diese Größen können auch gegebenenfalls auch mit weiteren Messgrößen korreliert werden.
Daher kann im Bereich des Kesselauslasses ein Sauerstoffsensor 7 angeordnet sein. Die Rostgeschwindigkeit RG kann am Antrieb für den Rost 8 oder an der Steuerung für den Rostantrieb abgegriffen werden. Der Ammoniakschlupf kann insitu beispielsweise von einem Economiser oder am Kesselende gemessen werden oder extraktiv aus dem Verhältnis des Reduktionsmittelverbrauchs über eine Zeit und dem Entstickungsgrad bestimmt werden. Die In-situ-Messung des Ammoniakschlupfes hat den Vorteil einer schnelleren Signalreaktion im Vergleich zu der langsamer reagierenden extraktiven Messung.
Die Kessellast KL hängt von der Beschickungsmenge des Kessels 1 mit Verbrennungsgut ab und kann bei der Beschickung beispielsweise durch Wiegen oder Volumenmessung erfasst werden.
Mindestens eine dieser das Temperatur-Verweilzeitverhalten des Rauchgases beeinflussenden Größen wird einer Regelungseinheit 9 zugeführt. Diese regelt die Zufuhr des Reduktionsmittels R zu den einzelnen Eindüsungsstellen 4 insbesondere in vertikaler Zuordnung der einzelnen Eindüsungsebenen n, n - 1, n - 2, n - x nicht nur in Abhängigkeit von dem gemessenen Temperaturgradienten, sondern zusätzlich auch in Abhängigkeit von der durch die mindestens eine weitere Größe bestimmten Verweilzeit.
Die Verweilzeit muss dabei nicht als absolute Größe bestimmt werden. Die das Temperatur-Verweilzeitverhalten des Rauchgases beeinflussenden Größen können auch durch ihre jeweilige Werteänderung in die Regelung eingreifen.
Die Regelungseinheit 9 steuert dabei einzelne Ventile 10 an, mit denen die Menge des Reduktionsmittels R zusammen mit dem vorgegebenen Druckluftstrom A und einer Wassermenge W für Tragwasser der jeweiligen Leitung 5 einer Eindüsungsstelle 4 zugeführt werden.
Für eine Regelung ohne horizontale Zuordnung der Eindüsungsstellen 4 kann pro Eindüsungsebene n auch nur eine Leitung 5 für eine Ringleitung vorhanden sein, an die dann alle Eindüsungsstellen 4 (Düsen bzw. Eindüsungslanzen) der jeweiligen Eindüsungsebenen n, n - 1, n - 2, n -x angeschlossen sind.
Die Regelung der Eindüsung des Reduktionsmittels R in Abhängigkeit vom Temperaturgradienten und der Temperatur-Verweilzeit des Rauchgases im Rauchgaszug 3 wird anhand des Flussdiagramms in der 2 näher erläutert. Dieses Verfahren kann beispielsweise mittels Software oder einem Hardware-Regler in der Regelungseinheit 9 implementiert werden.
Aus den mit den Temperatursensoren 6 auf den verschiedenen Temperaturmessebenen gemessenen Temperaturen wird im Schritt A) der Temperaturgradient des Rauchgases in vertikaler Richtung bestimmt. Damit ist die Temperaturverteilung des Rauchgases in den einzelnen Eindüsungsebenen n, n - 1, n - 2, n -x bekannt.
Mithilfe der weiteren Messgrößen aus der Gruppe Sauerstoffgehalt O₂ im Bereich des Kesselaustritts, Ammoniakschlupf (NH₃-Schlupf), Kessellast oder Rostgeschwindigkeit wird im Schritt B) die Verweilzeit bzw. eine Verweilzeitänderung erfasst.
Im Schritt C) erfolgt dann ein vertikales Auf- und Abregeln der Eindüsungsebenen n, n - 1, n - 2, n - x so, dass eine möglichst hohe NO_x-Abscheidung bei möglichst geringem NH₃-Schlupf erreicht wird.
Die verweilzeitbezogene vertikale Zuordnung kann entsprechend der folgenden Haupteinflussgrößen erfolgen. Dabei wird auf die zeitliche Änderung der Größen relativ zu einem Sollwert eingegangen. Denkbar ist aber auch, dass anfängliche manuelle Einstellung der Regelung die Änderung der vertikalen Zuordnung der Eindüsungsebenen lediglich aus der Änderung der Größe zum vorhergehenden Wert erfolgt.
Mit dem Sauerstoffsensor 7 wird der Sauerstoffgehalt O₂ am Kesselende im Übergang zum Feuerraum 2 gemessen. Eine schnelle Änderung des Sauerstoffgehalts O₂ vom Sollwert zeigt indirekt eine Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Verweilzeit des Rauchgases im Rauchgaszug 3 an. Bei einem steigenden Sauerstoffwert steigt die Strömungsgeschwindigkeit an. Die Abweichung vom Sollwert zu höheren Werten führt zu einer Verschiebung der Eindüsung zu den tiefer gelegenen, wärmeren Eindüsungsstellen 4. Die Abweichung vom Sollwert zu tieferen Werten führt zu einer Verschiebung der Eindüsung zu den höher gelegenen, kälteren Eindüsungsstellen 4.
Alternativ oder zusätzlich hierzu kann der Reduktionsmittel-Schlupf beispielsweise von einem Economiser oder am Kesselende im Übergang zum 2 gemessen werden. Der NH₃-Schlupf soll bevorzugt insitu gemessen werden, da dies ein schnelleres Signal als eine extraktive Messung ergibt. Allerdings liefert auch eine extraktive Messung ein hinreichend verwertbares Signal.
Die Abweichung des gemessenen NH₃-Schlupfes am Sollwert dient als Signal für die vertikale Verschiebung der Eindüsung des Reduktionsmittels R. Die Abweichung vom Sollwert zu höheren Werten führt zu einer Verschiebung der Eindüsung zu den tiefer gelegenen, wärmeren Eindüsungsstellen 4. Die Abweichung vom Sollwert zu tieferen Werten führt zu einer Verschiebung der Eindüsung zu den höher gelegenen, kälteren Eindüsungsstellen 4.
Der Schlupf kann, wie in 3 am Beispiel eines Economisers 11 dargestellt ist, bevorzugt als Netz vertikal und horizontal gemessen werden. Hierzu kann eine optische Schlupfmessung mittels Laserstrahlen L_n, L_n-1 in unterschiedlichen horizontalen Ebenen und Laserstrahlen L_n, L_n-1, ..., L_n-x in verschiedenen vertikalen Schlupf-Messebenen erfolgen. Die Richtung des Rauchgases, das mit NH₃-Schlupf beladen ist, ist dabei durch den Pfeil gekennzeichnet. Der Economiser 11 kann beispielsweise in einem Temperaturbereich von 180 °C bis 350 °C des Rauchgases betrieben werden. Mithilfe von Laserdetektionen kann die Laserlichtmenge für jeden der Laserlichtstrahlen L_n, L_n-1, ..., L_n-x; L_m, L_m-1, ..., L_m-y für jede der Schlupf-Messebenen gemessen werden. Die Variablen x, y stehen dabei als ganze Zahl für die maximale Anzahl der jeweiligen Messebenen in horizontaler und vertikaler Richtung.
Mithilfe der vertikalen und horizontalen Messung des NH₃-Schlupfes wird eine genaue Zuordnung der Schlupfwerte zu den Eindüsungsstellen 4 einer Vertikalachse ermöglicht.
Alternativ oder zusätzlich zu den oben genannten Größen kann die Kessellast bestimmt werden. Eine schnelle Änderung der Kessellast zeigt eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit und damit der Verweilzeit des Rauchgases an. Die Abweichung vom Sollwert zu höheren Werten führt zu einer Verschiebung der Eindüsung zu den höher gelegenen, kälteren Eindüsungsstellen 4. Die Abweichung der Kessellast vom Sollwert zu tieferen Werten führt zu einer Verschiebung der Eindüsung zu den tiefer gelegenen, wärmeren Eindüsungsstellen 4.
Alternativ oder zusätzlich hierzu kann die Rostgeschwindigkeit RG bestimmt und als Regelgröße verwendet werden. Die Rostgeschwindigkeit RG hat einen Einfluss auf die Abbrandgeschwindigkeit des Brennstoffes und somit die Strömungsgeschwindigkeit bzw. die Verweilzeit. Eine Abweichung der Rostgeschwindigkeit RG von einem Sollwert zu höheren Geschwindigkeiten verschiebt die Eindüsungen zu den tiefer gelegenen, wärmeren Eindüsungsstellen 4. Eine Abweichung der Rostgeschwindigkeit RG vom Sollwert zu niedrigeren Geschwindigkeiten verschiebt die Eindüsung zu den höher gelegenen, kälteren Eindüsungsstellen 4.
Die oben genannten Messgrößen können einzeln oder in beliebiger Kombination beispielsweise einem PID-Regler zugeführt werden, um die vom PID-Regler temperaturabhängig geregelte vertikale Temperaturverteilung der Eindüsung des Reduktionsmittels R mithilfe der zusätzlichen, in Temperatur-Verweilzeitgrößen ermittelten Änderungen anzupassen.
4 zeigt ein Funktionsdiagramm einer solchen Regelung.
Mit den Temperatursensoren 6 werden die Temperaturen horizontal in den einzelnen Ebenen n und damit der Temperaturgradient in horizontaler und vertikaler Richtung erfasst. Die gemessenen horizontalen Temperaturen pro Ebene werden dabei entsprechend in bekannter Weise ausgewertet, um die Temperaturgradienten zu ermitteln (T_horizontal n; Thorizontal n - 1, ..., Thorizontal n - x ≥ T_{Gradient (horizontal} + _vertikal)).
Weiterhin werden die Größen O₂-Gehalt, NH₃-Schlupf, Kessellast und Rostvorschub erfasst und mit einem PID-Regler mit Gewichtungsfaktoren multipliziert und aufsummiert.
Diese in der oberen Ebene der 4 gewonnenen Regelgrößen T_Gradi_{ent (horizontal +} _vertikal) und TG-Regelausgang werden zur Ermittlung eines Temperaturgradienten in horizontaler und vertikaler Richtung unter Berücksichtigung der Temperatur-Verweilzeit benutzt, um damit die SNCR-Regelung zur Eindüsung zu beeinflussen. Die SNCR-Regelung erfolgt auf der Basis der Stickoxidlast NO_x und der Kessellast beispielsweise mit einem PID-Regler.
Damit wird die Regelung der Reduktionsmittelmenge über den unten dargestellten NO_x-Regler in herkömmlicher Weise bestimmt. Die horizontale Zuordnung der Eindüsungsstellen 4 (Düsen bzw. Lanzen) zu den Temperaturen und die vertikale Zuordnung erfolgen durch Messung der Temperaturen des Rauchgases auf mehreren vertikalen Ebenen und jeweils in einer vertikalen Ebene verteilt, um hieraus Temperaturgradienten horizontaler und vertikaler Richtung zu bestimmen. Mit einer weiteren Regelgröße fließen die Messgrößen ein, welche die Temperatur-Verweilzeit des Rauchgases beeinflussen (O₂-Gehalt am Kesselende, HN₃-Schlupf vor dem Economiser oder am Kesselende, Kessellast und/oder Rostgeschwindigkeit). Diese aufsummierten Werte werden zur Anpassung des Temperaturgradienten zur Beeinflussung der Eindüsung genutzt.
Weiterhin kann zusätzlich eine Beeinflussung der vertikalen Zuordnung mithilfe eines neuronalen Netzwerkes 40 erfolgen. Hierbei kann ein Modell der künstlichen Intelligenz beispielsweise durch geeignet parametrisiertes neuronales Netzwerk durch Anlernung mittels Messgrößen im Betrieb angepasst werden. Ein solches KI-Modell kann zur Rechnung der horizontalen und vertikalen Temperaturverteilung eingerichtet sein (AI T-Gradient (horizontal + vertikal)). Diese Ausgangsgröße kann mit einem ODER-Glied OR anstelle des aus der Temperaturmessung gewonnenen Temperaturgradienten eingesetzt werden. Die Temperaturmesswerte fließen dabei als Eingangsgrößen in das neuronale Netz ein und nicht, wie in 4 oben links dargestellt, in eine statische Messwert-Auswerteeinheit.
Ebenso können die weiteren Größen, welche die Temperatur-Verweilzeit des Rauchgases beeinflussen, einem neuronalen Netz AI zugeführt werden und anstelle von manuell vorgegebenen Regelgrößen (ΔPID-Faktoren) dem PID-Regler 50 zugeführt werden. Damit können die Gewichtungsfaktoren des PID-Reglers 50 mithilfe des KI-Algorithmus automatisch angepasst werden.

Claims

Verfahren zur Regelung der Eindüsung von Reduktionsmitteln (R) zur selektiven nicht-katalytischen Reduktion (SNCR) bei der Entstickung von Rauchgas in einem Rauchgaszug (3) eines Kessels (1), wobei die Temperaturen in mehreren vertikal über einander liegenden Ebenen des Rauchgaszuges (3) gemessen, Temperaturgradienten (T_horizontal n; T_horizontal n - 1, ..., T_horizontal n - x) zwischen den gemessenen Temperaturen bestimmt und das Reduktionsmittel (R) in den mehreren vertikal übereinander liegenden Ebenen in den Rauchgaszug (3) in einer von den bestimmten Temperaturgradienten abhängigen Menge eingedüst werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere das Temperatur-Verweilzeitverhalten des Rauchgases beeinflussende Größe, die aus der Gruppe Sauerstoffgehalt (O₂) im Bereich des Kesselaustritts, Reduktionsmittel-Schlupf, Kessellast oder Rostgeschwindigkeit (RG) ausgewählt ist, erfasst wird und eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung des Reduktionsmittels (R) zu vertikal höher oder niedriger liegenden Ebenen des Rauchgaszuges (3) in Abhängigkeit der erfassten mindestens einen weiteren Größe erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgehalt (O₂) erfasst wird und eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung zu den tiefer in Richtung des Kessels (1) hin gelegenen Eindüsungsstellen (4) erfolgt, wenn der Sauerstoffgehalt (O₂) von einem Sollwert zu höheren Werten hin abweicht oder der Sauerstoffgehalt (O₂) im Vergleich zu einem zeitlich vorhergehenden Wert zunimmt, und eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung zu den höher in Richtung Auslass des Rauchgaszuges (3) hin gelegenen Eindüsungsstellen (4) erfolgt, wenn der Sauerstoffgehalt (O₂) von einem Sollwert zu tieferen Werten hin abweicht oder der Sauerstoffgehalt (O₂) im Vergleich zu einem zeitlich vorgegebenen Wert abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgehalt (O₂) am Ende des Kessels (1) im Übergang zu dem Rauchgaszug (3) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsmittel-Schlupf erfasst wird und eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung zu den tiefer in Richtung des Kessels (1) hin liegenden Eindüsungsstellen (4) erfolgt, wenn der Schlupf von einem Sollwert zu höheren Werten hin abweicht oder der Schlupf im Vergleich zu einem zeitlich vorhergehenden Schlupfwert zunimmt, und eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung zu den höher zum Auslass des Rauchgaszuges (3) hin gelegenen Eindüsungsstellen (4) erfolgt, wenn der Schlupf von einem Sollwert zu tieferen Werten hin abweicht oder der Schlupf im Vergleich zu einem zeitlich vorgegebenen Schlupfwert abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsmittel-Schlupf vor einem Economiser (11) oder am Ende des Kessels (1) im Übergang zu dem Rauchgaszug (3) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduktionsmittel-Schlupf in situ oder extraktiv gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kessellast erfasst wird und eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung zu den tiefer in Richtung des Kessels (1) hin gelegenen Eindüsungsstellen (4) erfolgt, wenn die Kessellast von einem Sollwert zu tieferen Werten hin abweicht oder die Kessellast im Vergleich zu einem zeitlich vorgegebenen Wert der Kessellast abnimmt, und eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung zu den höher zum Auslass des Rauchgaszuges (3) hin gelegenen Eindüsungsstellen (4) erfolgt, wenn die Kessellast von einem Sollwert zu höheren Werten hin abweicht oder die Kessellast im Vergleich zu einem zeitlich vorhergehenden Wert der Kessellast zunimmt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rostgeschwindigkeit (RG) eines das Verbrennungsgut im Kessel (1) befördernden Rostes (8) erfasst wird und eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung zu den tiefer in Richtung des Kessels (1) hin gelegenen Eindüsungsstellen (4) erfolgt, wenn die Rostgeschwindigkeit (RG) von einem Sollwert zu höheren Werten hin abweicht oder die Rostgeschwindigkeit (RG) im Vergleich zu einem zeitlich vorhergehenden Wert der Rostgeschwindigkeit (RG) zunimmt, und eine Verschiebung der Eindüsungsverteilung zu den höheren zum Auslass des Rauchgaszuges (3) hin gelegenen Eindüsungsstellen (4) erfolgt, wenn die Rostgeschwindigkeit (RG) von einem Sollwert zu tieferen Werten hin abweicht oder die Rostgeschwindigkeit (RG) im Vergleich zu einem zeitlich vorhergehenden Wert daraus Geschwindigkeit abnimmt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturgradienten (T_horizontal n; T_horizontal n - 1, ..., T_horizontal n - x) und hier mindestens eine weitere Größe einem PID-Regler (50) zugeführt werden und die Ausgänge des PID-Reglers (50) mit Gewichtungsfaktoren multipliziert und aufaddiert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtungsfaktoren mithilfe einer selbst lernenden, neuronalen Netzes (40) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine weitere Größe, insbesondere der Reduktionsmittel-Schlupf, an mehreren vertikalen und horizontal verteilt angeordneten Positionen erfasst wird.
Rauchgas-Entstickungsanlage zur Entstickung von Rauchgas in einem Rauchgaszug (3) eines Kessels (1) mit Düsen im Rauchgaszug zum Eindüsen von Reduktionsmitteln (R) zur selektiven nicht-katalytischen Reduktion (SNCR) und mit Temperatursensoren (6), die zur Messung der Temperaturen in mehreren vertikal übereinander liegenden Ebenen des Rauchgaszuges (3) angeordnet sind, wobei die jeweils über die Düsen eingedüste Menge an Reduktionsmittel (R) mit einer Regelungseinheit (9) individuell regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Umweltsensor zur Erfassung einer weiteren die Verweilzeit des Rauchgases beeinflussenden Größe, die aus der Gruppe Sauerstoffgehalt (O₂) im Bereich des Kesselaustritts, Reduktionsmittel-Schlupf, Kessellast oder Rostgeschwindigkeit (RG) ausgewählt ist, vorhanden ist und die Regelungseinheit (9) zur Verschiebung der Eindüsungsverteilung des Reduktionsmittels (R) zur vertikal höher oder niedriger liegenden Ebenen des Rauchgaszuges (3) in Abhängigkeit der erfassten mindestens einen weiteren Größe ausgebildet ist.
Rauchgas-Entstickungsanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinheit (9) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.