DE202020104616U1 - Device for the treatment of exhaust gases from incineration plants operated with heavy fuel oil - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Abgasbehandlung von mit Heizöl Schwer betriebenen Verbrennungsanlagen mit einem Heizkessel (11) in dem das Heizöl Schwer verbrannt wird und in dem bei einem Temperaturbereich zwischen 850°C und 1.050°C des Abgases eine SNCR-Anlage (15) und im weiteren Verlauf des Abgaskanals vor dem Kamin (26) eine Rauchgasentschwefelungsanlage (22) vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die SNCR-Anlage (15) so ausgelegt ist, dass die Stickoxide um 55% bis 65% mit einem NH3-Schlupf, der größer ist als ein vorgegebener Grenzwert, reduziert werden, und dass in Rauchgasströmungsrichtung hinter der SNCR-Anlage (15) und vor der Rauchgasentschwefelungsanlage (22) eine SCR-Anlage (27) vorhanden ist, deren Katalysator (28) kleiner ist als der Katalysator, der für die Reduzierung der bei der Verbrennung entstehenden Stickoxide ohne SNCR-Anlage erforderlich ist. Device for exhaust gas treatment of incineration systems operated with heavy fuel oil with a boiler (11) in which the fuel oil is heavily burned and in which an SNCR system (15) and in the further course of the exhaust gas at a temperature range between 850 ° C and 1,050 ° C A flue gas desulfurization system (22) is present in the exhaust gas duct in front of the chimney (26), characterized in that the SNCR system (15) is designed so that the nitrogen oxides by 55% to 65% with an NH 3 slip that is greater than a predetermined limit value, and that in the flue gas flow direction behind the SNCR system (15) and upstream of the flue gas desulfurization system (22) there is an SCR system (27) whose catalyst (28) is smaller than the catalyst that is used for the Reduction of the nitrogen oxides produced during combustion without an SNCR system is necessary.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abgasbehandlung von mit Heizöl Schwer betriebenen Verbrennungsanlagen mit einem Heizkessel in dem das Heizöl Schwer (Heizöl S) verbrannt wird und in dem bei einem Temperaturbereich zwischen 850°C und 1.050°C des Rauchgases eine SNCR-Anlage und im weiteren Verlauf des Abgaskanals vor dem Kamin eine Rauchgasentschwefelungsanlage vorhanden sind. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Abgasbehandlung von Feuerungsanlagen im Leistungsbereich von 5 - 50 MW, die in der mittelständischen Industrie eingesetzt werden.The invention relates to a device for the treatment of exhaust gas from combustion systems operated with heavy fuel oil, with a boiler in which the heavy fuel oil (fuel oil S) is burned and in which an SNCR system and furthermore at a temperature range between 850 ° C and 1,050 ° C of the flue gas There is a flue gas desulphurisation system in front of the chimney. In particular, the invention relates to a device for treating exhaust gas from combustion systems in the power range of 5 to 50 MW, which are used in medium-sized industry.
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.When fossil fuels and waste are burned, nitrogen oxides (NO x ) are produced in the smoke or exhaust gases, which pollute the environment. Because of the increasingly strict exhaust gas regulations, it is therefore necessary to further optimize and refine the already known methods for denitrification.
Ein bewährtes Entstickungsverfahren ist allgemein als SNCR-Verfahren (selective non-catalytic reduction-Verfahren) und aus der
- 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
- 4NO + 4NH 3 + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O
Bei der Verwendung von Harnstoff entsteht zunächst Ammoniak:
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.The ammonia (NH 3 ) then reacts with the nitrogen oxides according to the first-mentioned reaction. The use of urea as a reducing agent is considered more favorable than the use of ammonia or an aqueous ammonia solution because of the problem-free handling and storage of urea.
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. Bei höheren Temperaturen nehmen der NH3-Schlupf und die Umsetzung der Stickoxide ab. Bei geringeren Temperaturen nehmen der NH3-Schlupf und die Umsetzung der Stickoxide zu. Da die neuen Abgasvorschriften auch einen Grenzwert von NH3 vorschreiben, ist der Einsatz des SNCR-Verfahrens nur mit einem weiteren Regelaufwand und Einschränkungen in der Regellast des Kessels möglich.In fact, this reduction is based on several partial reactions, which among other things depend on the reaction temperature, i.e. the flue gas temperature. The temperature window which is favorable for this reduction is approximately 850 ° C. to 1,050 ° C. and in particular 900 ° C. to 1,000 ° C. However, it cannot be avoided that a certain ammonia slip always occurs, which is undesirable. Complete denitrification cannot be achieved either. At higher temperatures, the NH 3 slip and the conversion of nitrogen oxides decrease. At lower temperatures, the NH 3 slip and the conversion of nitrogen oxides increase. Since the new exhaust gas regulations also stipulate a limit value of NH 3 , the use of the SNCR process is only possible with additional control effort and restrictions in the normal load of the boiler.
Ein anderes Verfahren zur Stickoxidreduktion ist die selektive katalytische Reduktion (SCR, selective-catalyticreduction). Hier werden in Anwesenheit eines Katalysators und Ammoniak die Sickoxide NO und NO2 in Wasser und Stickstoff umgesetzt:
Mit dem SCR-Verfahren lassen sich grundsätzlich die neuen Grenzwerte nach der 44. BImSchV (Bundes-Immissionsschutzverordnung) von 2019 erreichen. Die SCR-Anlage kann zudem nicht mit schwefelhaltigem Brennstoff, wie Heizöl S, betrieben werden, da das Schwefeldioxid (SO2) im Katalysator zu Schwefeltrioxid (SO3) oxidiert wird, aus dem Schwefelsäure entsteht.With the SCR process, the new limit values according to the 44th BImSchV (Federal Immission Control Ordinance) of 2019 can basically be achieved. In addition, the SCR system cannot be operated with fuel containing sulfur, such as heating oil S, since the sulfur dioxide (SO 2 ) in the catalytic converter is oxidized to sulfur trioxide (SO 3 ), from which sulfuric acid is produced.
Ein anderes Problem bei der Verbrennung von fossilen Brennstoffen ist die Emission von umweltgefährdenden Schwefeldioxiden (SO2) im Abgas aufgrund des Schwefelgehalts im Brennstoff. Auch hier sind in der 44. BImSchV verringerte Grenzwerte im Abgas von 350 mg/m3 vorgegeben. Dieser Grenzwert erfordert grundsätzlich ein Heizöl mit einem Schwefelgehalt < 0,2%. Heizöl S hat aber in der Regel einen Schwefelgehalt von > 1,0 %.Another problem with the combustion of fossil fuels is the emission of environmentally harmful sulfur dioxide (SO 2 ) in the exhaust gas due to the sulfur content in the fuel. Here, too, the 44th BImSchV specifies lower limit values in the exhaust gas of 350 mg / m 3 . This limit value basically requires a heating oil with a sulfur content of <0.2%. However, heating oil S usually has a sulfur content of> 1.0%.
Während früher das Heizöl S mit einem Schwefelgehalt > 1,0 % verfeuert werden konnte, das als Raffinerie-Rückstandöl regional einfach und kostengünstig verfügbar ist, muss jetzt Heizöl EL (Heizöl Extra Leicht) verwendet werden. Dies ist jedoch kein Rückstandöl, sondern ein Mitteldestillat mit der höchsten Wassergefährdungsklasse. Dies bedeutet, dass für eine Vielzahl von Feuerungsstätten mit Vorratstanks für das bislang verwendete Heizöl S mit einer geringeren Wassergefährdungsklasse die Betriebserlaubnis für die Vorratstanks erlöschen würde. Eine Einstellung des Betriebs wäre die Folge.While it was previously possible to burn heating oil S with a sulfur content of> 1.0%, which is easily and inexpensively available regionally as refinery residue oil, now heating oil EL (extra light heating oil) must be used. However, this is not a residual oil, but a middle distillate with the highest water hazard class. This means that for a large number of furnaces with storage tanks for the previously used heating oil S with a lower water hazard class, the operating license for the storage tanks would expire. The consequence would be a cessation of operations.
Das Heizöl S fällt jedoch in großen Mengen in einer Raffinerie an. Vor der 44. BImSchV waren entsprechende Abnehmer vorhanden, die jetzt wegfallen würden. Auch die Schifffahrt fällt als Abnehmer von Heizöl S weg, da Marinediesel nur noch einen Schwefelgehalt von < 0,5% haben darf. Das Heizöl S muss daher in andere Länder mit anderen Abgasbestimmungen exportiert werden. Global hilft diese Maßnahme aber nicht, da lediglich der Entstehungsort der umweltschädlichen Schwefeldioxide verlagert wird.The heating oil S, however, occurs in large quantities in a refinery. Before the 44th BImSchV there were corresponding customers that would no longer apply. Shipping is no longer a buyer of heating oil S either, as marine diesel is only allowed to have a sulfur content of <0.5%. The heating oil S must therefore be exported to other countries with different emission regulations. However, this measure does not help globally, since only the The place of origin of the environmentally harmful sulfur dioxide is relocated.
Auch aus wirtschaftlicher Sicht wäre daher eine weitere Verwendung von Heizöl S als Energieträger in Deutschland wünschenswert. Zum einen ist dieser Brennstoff kostengünstig verfügbar. Zum anderen steht er auch regional in Deutschland zur Verfügung. Aufwändige Transportwege werden vermieden. Weiterhin entfällt der kostenintensive Export. Schließlich können Altanlagen mit herkömmlichen Vorratstanks weiter betrieben werden.From an economic point of view, further use of heating oil S as an energy source would therefore be desirable in Germany. On the one hand, this fuel is available at low cost. On the other hand, it is also available regionally in Germany. Complex transport routes are avoided. In addition, there is no costly export. After all, old systems can continue to be operated with conventional storage tanks.
Der Einsatz von SCR-Anlagen zur Verringerung der Stickoxide führt jedoch bei der Verbrennung von Heizöl S wegen des Schwefelgehalts zu einer gesteigerten SO3-Bildung, so dass Schwefelsäure entsteht, durch die die nachfolgenden Einbauten zerstört werden. Es ist grundsätzlich bekannt, dem Heizöl S schwefelfreie Komponenten beizumischen. Ein solcher Verschnitt weist jedoch einen inhomogenen Siedeverlauf auf, und eine stöchiometrische Verbrennung ist schwer einstellbar.The use of SCR systems to reduce nitrogen oxides, however, leads to increased SO 3 formation during the combustion of heating oil S due to the sulfur content, so that sulfuric acid is formed, which destroys the subsequent installations. It is known in principle to add sulfur-free components to heating oil S. However, such a blend has an inhomogeneous boiling curve and stoichiometric combustion is difficult to set.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abgasbehandlungsanlage für Feuerungsanlagen so auszubilden, dass ein Einsatz von Heizöl S mit einem Schwefelgehalt von > 1,0 % unter Einhaltung der 44. BImSchV möglich ist. The invention is therefore based on the object of designing an exhaust gas treatment system for combustion systems in such a way that the use of heating oil S with a sulfur content of> 1.0% is possible in compliance with the 44th BImSchV.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die SNCR-Anlage so ausgelegt ist, dass die Stickoxide um 55% bis 65% mit einem NH3-Schlupf, der größer ist als ein vorgegebener Grenzwert, reduziert werden, und dass in Rauchgasströmungsrichtung hinter der SNCR-Anlage und vor der Rauchgasentschwefelungsanlage eine SCR-Anlage vorhanden ist, deren Katalysator kleiner ist als der Katalysator, der für die Reduzierung der Stickoxide ohne eine SNCR-Anlage erforderlich ist. Als Vergleichsmaß der Größe des Katalysators ist die Größe zu verstehen, die benötigt wird, um die Stickoxide im letztlich austretenden Abgas in gleichem Maß zu reduzieren, wenn die SCR-Anlage ohne SNCR-Anlage betrieben wird.The object is achieved according to the invention in that the SNCR system is designed so that the nitrogen oxides are reduced by 55% to 65% with an NH 3 slip that is greater than a predetermined limit value, and that in the flue gas flow direction behind the SNCR system and upstream of the flue gas desulphurisation system there is an SCR system with a catalyst that is smaller than the catalyst that is required for reducing nitrogen oxides without an SNCR system. The size that is required to reduce the nitrogen oxides in the exhaust gas that ultimately emerges to the same extent when the SCR system is operated without an SNCR system is to be understood as a comparative measure of the size of the catalytic converter.
Die Erfindung nutzt die Eigenschaften der beiden kombinierten Entstickungsmaßnahmen aus, um bei einem relativ geringen apparativen Aufwand die Grenzwerte der 44. BImSchV einhalten zu können, auch wenn Heizöl S als Brennstoff eingesetzt wird. Durch den Einsatz der SNCR-Anlage wird ein Großteil der entstandenen Stickoxide reduziert. Die SNCR-Anlage kann dabei so eingestellt werden, dass ein NH3-Schlupf vorhanden ist, der deutlich über dem zulässigen Grenzwert von 30 mg/m3 gemäß der 44. BImSchV liegt.The invention uses the properties of the two combined denitrification measures in order to be able to comply with the limit values of the 44th BImSchV with a relatively low expenditure on equipment, even if heating oil S is used as fuel. A large part of the nitrogen oxides produced is reduced by using the SNCR system. The SNCR system can be set so that there is an NH 3 slip that is well above the permissible limit value of 30 mg / m 3 according to the 44th BImSchV.
Dieser NH3-Schlupf wird in der sich anschließenden SCR-Anlage bei der Anwesenheit des Katalysators größtenteils mit den nicht reduzierten Stickoxiden zu den gewünschten Abgasprodukten gemäß den oben aufgeführten Reaktionsgleichungen umgesetzt. Es erfolgt eine weitere Reduktion der Stickoxide bis unterhalb des zulässigen Grenzwerts von 200 mg/m3. Da jedoch bereits ein großer Teil der ursprünglich bei der Verbrennung entstehenden Sickoxide umgesetzt worden sind, reicht ein relativ kleiner Katalysator aus, um die gewünschte Reduzierung der am Kamin austretenden Abgase zu bewirken.This NH 3 slip is largely converted in the subsequent SCR system in the presence of the catalyst with the non-reduced nitrogen oxides to form the desired exhaust gas products according to the reaction equations listed above. There is a further reduction in nitrogen oxides to below the permissible limit value of 200 mg / m 3 . However, since a large part of the nitrogen oxides originally formed during combustion have already been converted, a relatively small catalyst is sufficient to bring about the desired reduction in the exhaust gases emerging from the chimney.
Dies führt wiederum dazu, dass trotz des relativ hohen Gehalts an SO2 im Abgas wegen des Einsatzes von Heizöl S nur wenig SO3 in der SCR-Anlage entsteht. Die Bildung der schädlichen Schwefelsäure wird damit unterdrückt oder in einem beherrschbaren Ausmaß gehalten, so dass keine Beschädigung der nachfolgenden Einbauten oder der sich anschließenden Rauchgasentschwefelungsanlage zu befürchten ist.This in turn means that despite the relatively high content of SO 2 in the exhaust gas, only a little SO 3 is produced in the SCR system due to the use of heating oil S. The formation of the harmful sulfuric acid is thus suppressed or kept to a manageable extent, so that there is no risk of damage to the subsequent installations or the subsequent flue gas desulfurization system.
Die Investitionskosten für den Umbau einer vorhandenen Verbrennungsanlage sind daher relativ gering. Bereits vor dem Inkrafttreten der 44. BImSchV war der Einsatz einer SNCR-Anlage erforderlich, um die Grenzwerte der Stickoxide einhalten zu können.The investment costs for converting an existing incineration plant are therefore relatively low. Even before the 44th BImSchV came into force, the use of an SNCR system was necessary in order to be able to comply with the limit values for nitrogen oxides.
Es ist daher gemäß der Erfindung möglich, dass Größe des Katalysators zwischen 5% und 50% und insbesondere zwischen 10% und 25% der Größe des üblichen Katalysators beträgt. Die übliche Größe entspricht der Größe des Katalysators einer SCR-Anlage, die ohne die Vorschaltung einer SNCR-Anlage im Abgasstrom benötigt wird. Die kleinere Größe des Katalysators reicht aus, um mit dem zwangsläufig in der SNCR-Anlage entstehenden NH3-Schlupf die verbleibenden Stickoxide weiter zu reduzieren, so dass letztlich eine Reduzierung von mehr als 80% der ursprünglich bei der Verbrennung entstanden Stickoxide erreicht werden kann.It is therefore possible according to the invention for the size of the catalyst to be between 5% and 50% and in particular between 10% and 25% of the size of the conventional catalyst. The usual size corresponds to the size of the catalytic converter in an SCR system, which is required in the exhaust gas flow without an upstream SNCR system. The smaller size of the catalytic converter is sufficient to further reduce the remaining nitrogen oxides with the NH 3 slip that inevitably occurs in the SNCR system, so that ultimately a reduction of more than 80% of the nitrogen oxides originally produced during combustion can be achieved.
Die SCR-Anlage benötigt dabei keine zusätzliche Dosierung von Ammoniak für die gewünschten Reaktionen. Gleichwohl kann es zweckmäßig sein, eine Dosiereinrichtung für das gleiche Reduktionsmittel vor der SCR-Anlage im Abgaskanal vorzusehen, falls der NH3-Schlupf nicht ausreichen würde, die restlichen Stickoxide in der SCR-Anlage zu reduzieren. Es braucht aber kein zusätzlicher Vorratsbehälter oder eine weitere Dosiereinrichtung für ein anderes Reduktionsmittel vorgesehen zu werden.The SCR system does not require any additional ammonia metering for the desired reactions. Nevertheless, it can be useful to provide a metering device for the same reducing agent upstream of the SCR system in the exhaust duct if the NH 3 slip would not be sufficient to reduce the remaining nitrogen oxides in the SCR system. However, there is no need to provide an additional storage container or a further metering device for another reducing agent.
Welche Art von Heizkessel eingesetzt wird, ist grundsätzlich beliebig. Der Heizkessel kann beispielsweise als Großwasserraumkessel oder als Wasserrohrkessel ausgebildet sein. Im Leistungsbereich zwischen 5,0 und 50,0 MW wird überwiegend ein Großwasserraumkessel oder Dreizugkessel verwendet.In principle, it does not matter what type of boiler is used. The boiler can, for example, be designed as a shell boiler or as a water tube boiler. In the power range between 5.0 and 50.0 MW, a shell boiler or three-pass boiler is predominantly used.
Bei einem Dreizugkessel ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die SNCR-Anlage im ersten Zug angeordnet und die SCR-Anlage hinter dem zweiten Zug angeordnet ist. Ein solche Anordnung bietet sich an, da im ersten Zug die erforderlichen Temperaturen für die SNCR-Reaktionen und hinter dem zweiten Zug die erforderlichen Temperaturen für die SCR-Reaktionen vorliegen. Aufwändige Umbauten an der Kesselanlage entfallen daher ebenfalls. Insbesondere kann die SCR-Anlage ohne größeren Aufwand in die Wendekammer zwischen dem zweiten Zug und den dritten Zug des Dreizugskessels eingebaut werden.In the case of a three-pass boiler, the invention provides that the SNCR system is arranged in the first train and the SCR system is arranged behind the second train. Such an arrangement is advisable because the temperatures required for the SNCR reactions are present in the first pass and the temperatures required for the SCR reactions are present after the second pass. There is therefore no need for complex modifications to the boiler system. In particular, the SCR system can be installed in the turning chamber between the second pass and the third pass of the three-pass boiler with little effort.
Insgesamt gelingt es mit diesen Maßnahmen, vorhandene Feuerungsanlagen oder Heizkessel weiterhin mit dem kostengünstigen Heizöl S zu betreiben. Gleichwohl werden die Grenzwerte der 44. BImSchV eingehalten, und ein Export des Heizöl S in andere Länder entfällt. Vielmehr kann das regional einfach erhältliche Heizöl S verwendet und somit nutzbringend verbraucht werden.Overall, with these measures, it is possible to continue to operate existing combustion systems or boilers with the inexpensive S heating oil. Nonetheless, the limit values of the 44th BImSchV are complied with, and there is no export of heating oil S to other countries. Rather, heating oil S, which is easily available in the region, can be used and thus consumed profitably.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine Verbrennungsanlage mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt.The invention is explained in more detail below with reference to the schematic drawing, the single figure of which shows a combustion system with a device according to the invention.
Der in der Zeichnung dargestellte Großwasserraumkessel
Auch der zweite Zug
Der so erzeugte Gips wird in einem Silo
Von der Rauchgasentschwefelungsanlage
Für die Einhaltung der Grenzwerte nach der
Für die Reaktionen in der SCR-Anlage wird Ammoniak benötigt. Dieser Ammoniak wird von dem NH3-Schlupf der SNCR-Anlage
Aufgrund der geringeren erforderlichen Umsetzungsrate in der SCR-Anlage
Weiterhin können noch Primäradditive, beispielsweise zur Ausbrandverbesserung oder zur SO3-Neutralisation, aus einem Vorratsbehälter
Es ist aufgrund der nachgeschalteten SCR-Anlage möglich, den Stickoxidgehalt und den NH3-Schlupf in den am Kamin
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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