DE3337793C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mengenregelung des Reduktionsmittels, insbesondere von Ammoniak, für eine katalytische Reduktion von NO _x aus Rauchgasen, die einer mit fossilen Brennstoffen befeuerten Verbrennungsanlage entstammen, wobei eine veränderbare Regelgröße für die Reduktionsmittelmengenregelung auf elektronischem Wege aus einem vogegebenen und beeinflußbaren Reduktionsmittel/NO _x -Stöchiometrie-Faktor und aus Meßwerten für den O₂-Gehalt und den NO _x -Gehalt vor und nach dem Katalysator, für die Rauchgasmenge vor dem Katalysator, sowie aus dem Reduktionsmittelgehalt nach dem Katalysator bestimmt wird.

Bei einer Verbrennung von fossilen Brennstoffen entsteht neben anderen Schadstoffen die in hohem Maße die Umwelt belastenden Stickstoffoxide. Zur Verminderung der Stickstoffoxidemission aus mit derartigen Brennstoffen gefeuerten Verbrennungsanlagen sind Verfahren bekannt, bei denen unter Einsatz eines Reduktionsmittels, z. B. Ammoiak, in Gegenwart eines Katalysators, z. B. Vanadiumverbindungen auf Trägern aus Titanoxid, eine Reduktion von NO _x zu molekularem Stickstoff und Wasserdampf erfolgt.

Bekannt ist eine Regelung der Zugabemenge an Reduktionsmittel in Abhängigkeit von der der Verbrennungsanlage entstammenden Rauchgasmenge und der NO _x -Konzentration stromab vor dem Katalysator vorzunehmen. So werden beispielsweise in der DE-OS 26 57 617 Verfahren zur Reduktionsmittelmengenregelung vorgeschlagen, bei denen aus Gründen der Sicherheit wegen durch Korrosion, Wärme und Verschmutzung ungenau arbeitender Meßgeräte die zur Reduktionsmittelmengenregelung erforderliche Bestimmung des NO _x -Wertes verdoppelt wird. Die Bestimmung des NO _x -Wertes erfolgt dabei entweder durch direkte Messung vor oder nach dem Katalysator oder aus anderen funktional abhängigen Bezugsgrößen, beispielsweise des O₂-Gehaltes oder CO₂-Gehaltes im Abgas, der Brennstoff-, der Abgas- oder alternativ der Verbrennungsluftmenge, die in mehreren aufeinanderfolgenden Rechenoperationen die Regelgröße für die Reduktionsmittelmengenregelung ermittelt. Die Regelgröße für die Reduktionsmittelmengenregelung geht dabei durch multiplikative Verknüpfung dieser Meßwerte mit einem vorgegebenen und beeinflußbaren Reduktionsmittel/NO _x -Stöchiometrie-Faktor hervor. Der Stöchiometrie-Faktor ist dabei je nach Größe des Kraftwerkes und Auslegung der Reduktionsanlage (wirksame Katalysatorkontaktoberfläche) auf einen konstanten Wert von 0,7 bis 1,0 eingestellt. Diese Festlegung bedingt aber, daß als Bezugsgröße für den Stöchiometriefaktor die maximal auftretende NO _x -Konzentration zugrunde gelegt wird, um die gesetzlichen Emissionsgrenzwerte einhalten zu können.

Unberücksichtigt bei dieser Verfahrensführung bleibt, daß der Katalysator einer gewissen Alterung infolge Kontamination durch das SO _x im Rauchgas unterliegt. In die gleiche Richtung wirken die Staubpartikel im Rauchgas, die zu einer Verschmutzung der Katalysatorkontaktfläche und einem mechanischen Abrieb des Katalysatormaterials infolge Druckbeaufschlagung führen. Insgesamt ergibt sich daher eine Abnahme der Aktivität bzw. Verschiebung der Aktivitätskurve des Katalysators mit zunehmender Betriebsdauer. Aufgrund des fest vorgegebenen Stöchiometriefaktors wird deshalb bei der bekannten Regelung im Laufe der Betriebszeit das Reduktionsmittel im Überschuß zugegeben.

Ein Überschuß bzw. eine Menge an nicht reagiertem Reduktionsmittel nach dem Katalysator zeigt aber nicht nur einen betriebskostensenkenden Ansatzpunkt auf, sondern zieht auch eine Reihe von technischen Problemen nach sich. So kann das nicht reagierte Reduktionsmittel mit anderen im Rauchgas enthaltenen Schadstoffen Verbindungen eingehen, deren Taupunkte unterhalb der Kaltgastemperatur des einer Verbrennungsanlage nachgeschalteten Luftvorwärmers liegen. Beispielsweise bilden sich aus dem als Reduktionsmittel zugegebenen Amoniak und dem im Rauchgas vorhandenen SO _x Ammoniumsulfat und Ammoniumbisulfat, die sich infolge der Abkühlung des Rauchgases im Luftvorwärmer unterhalb einer Temperatur von ca. 200°C als Ablagerungen auf den Wärmetauscherflächen des Luftvorwärmers niederschlagen. Dadurch wird die Wärmeübertragung vermindert, so daß die Standzeit der Wärmetauscherflächen eines Luftvorwärmes nicht durch Korrosion sondern auch durch die im Überschuß zugegebene Menge an Reduktionsmittel begrenzt wird. Nicht zu unterschätzen ist auch die Tatsache, daß sich die Absatzchance des bei der nachfolgenden Rauchgasentschwefelung gewonnenen Endproduktes, z. B. für eine Weiterverarbeitung als Baustoff in dem Maße verschlechtert, wie die Konzentration an Verunreinigungen und nicht reagiertem Reduktionsmittel ansteigt. Eine mögliche Deponierung der bei der Rauchgasentschwefelung anfallenden Reaktionsprodukte kann wegen der damit verbundenen hohen Kosten sowie einer möglichen Umweltbelastung dieser Stoffe nicht als Alternative in Betracht gezogen werden.

Diese erwähnten Gesichtspunkte beziehen sich auf eine Verbrennungsanlage, die im Normalbetrieb gefahren wird. Bei Kraftwerkanlagen, die zur Anpassung an den jeweiligen Energiebedarf häufig an- und abgefahren oder in niedrigen Teillastbereichen betrieben werden, vervielfachen sich diese Probleme. Insbesondere beim Anfahren einer Verbrennungsanlage, aber auch beim Abfahren oder extrem niedrigem Teillastbetrieb weisen die aus der Verbrennungsanlage ausströmenden Rauchgase eine niedrigere Temperatur auf, die beim Einsatz einer bekannten Regelung mit einem auf Normalbetrieb ausgelegten und fest eingestellten Stöchiometriefaktor zu einem hohen Überschuß an nicht reagiertem Reduktionsmittel hinter dem Katalysator führt. Der Grund hierfür liegt in der temperaturabhängigen Aktivitätskurve des Katalysators. Je nach Material entwickelt der Katalysator seine maximale Aktivität bei einer Rauchgastemperatur zwischen 250 und 400°C mit einem starken Abfall zu niedrigeren Temperaturen hin.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs beschriebenen Art derart weiter zu entwickeln, daß eine Optimierung der Zugabemenge an Reduktionsmittel für alle Lastfälle einer Verbrennungsanlage möglich wird, so daß ein Überschuß an Reduktionsmittel stromab hinter dem Katalysator vermieden wird. Gleichzeitig soll dabei die Abnahme der Katalysatoraktivität mit fortschreitender Betriebszeit mit erfaßt werden.

Diese Aufgabe wird durch die Kombination folgender Merkmale gelöst, wobei der über den Sauerstoff-Gehalt korrigierte NO _x -Gehalt nach dem Katalysator als primärer Korrektur- und Ist-Wert nach Vergleich mit einem einzuhaltenen Soll-Grenzwert die Regelgröße für die Reduktionsmittel-Mengenregelung verändert, und wobei sekundäre Korrekturgrößen die Rauchgastemperatur vor dem Katalysator und/oder der Reduktionsmittelgehalt nach dem Katalysator den über eine temperaturabhängige Aktivitätskurve des Katalysators bestimmten Reduktionsmittel/NO _x -Stöchiometrie-Faktors, aus dem anschließend durch Multiplikation mit der NO _x -Menge, die sich aus der NO _x -Konzentration und der feuchte-korrigierten Rauchgasmenge vor dem Katalysator errechnet, die Regelgröße für die Reduktionsmittelmengenregelung ermittelt wird.

Die mit der erfindungsgemäßen Verfahrensführung erreichten Vorteile bestehen darin, daß in allen Lastfällen eines mit fossilen Brennstoffen gefeuerten Kraftwerkes die Zugabemenge an Reduktionsmittel optimal geregelt wird, wobei die Reduktionsmittelkonzentration stromab hinter dem Katalysator unter einem vorgegebenen Festwert in einem Bereich von 50 bis 3 ppm Vol., vorzugweise kleiner 10 ppm Vol. liegt. Dadurch ergibt sich nicht nur eine Ersparung an Reduktionsmittel, zugleich werden auch Ablagerungen an den Wärmetauscherflächen des Luftvorwärmers vermieden. Von daher ist die Gefahr einer Abnahme des Wirkungsgrades des Luftvorwärmers infolge von Verkrustungen aus den Reaktionsprodukten aus nicht verbrauchten Reduktionsmitteln und Schadstoffen aus dem Rauchgas nicht mehr gegeben. Desweiteren finden sich auch keine Verunreinigungen in Form von unverbrauchtem Reduktionsmittel in dem bei der Rauchgasentschwefelung gewonnenen Endprodukt. Diese Vorteile werden dadurch erreicht, daß der Stöchiometriefaktor für das Verhältnis von Reduktionsmittel zu NO _x unter Einhaltung des gesetzlich vorgegebenen NO _x -Emissionsgrenzwertes an die jeweiligen Lastbedingungen der Verbrennungsanlage angepaßt wird. Hierzu wird eine Rauchgastemperatur stromab vor dem Katalysator gemessen und der Stöchiometrie-Faktor über eine temperaturunabhängige Aktivitätskurve des Katalysators korrigiert. Alternativ bzw. zusätzlich dazu kann auch die Konzentration des nicht reagierten Reduktionsmittels stromab hinter dem Katalysator direkt gemessen werden, um damit eine entsprechende Änderung des Stöchiometriefaktors herbeizuführen. Der Alterung des Katalysatormaterials infolge Kontamination durch ein im Rauchgas enthaltenes SO _x sowie mechanischer Beanspruchung durch einen im Rauchgas enthaltenen Staub und einer damit einhergehenden Abnahme der Katalysatoraktivität wird erfindungsgemäß dadurch begegnet, daß als sekundäre Korrekturgrößen sowohl eine Rauchgastemperatur vor dem Katalysator als auch die Reduktionsmittel-Konzentration stromab hinter dem Katalysator auf die Regelung zurückgeführt werden. Die Beeinflussung des Stöchiometriefaktors erfolgt dabei in der Weise, daß die Reduktionsmittel-Konzentration hinter dem Katalysator nicht über einen vorgegebenen Festwert von beispielsweise kleiner 10 ppm Vol. ansteigt und der Stöchiometriefaktor über die vor Betriebsbeginn aufgenommene temperaturabhängige Aktivitätskurve geregelt wird.

Die Erfindung soll nun anhand des in der Figur dargestellten Regelschemas näher erläutert werden.

Die Figur zeigt einen Feuerraum eines Dampferzeugers 1 aus dem das Rauchgas über einen Kanal 2 einem mit Katalysatoren 4 versehenen Reduktionsreaktor 3 zugeführt und anschließend nach erfolgter NO _x -Reduktion mit Ammoniak als Reduktionsmittel über einen Reaktoraustritt 5 einem nachgeschalteten Luftvorwärmer zugeleitet wird. Die Erfassung einer NO _x -Menge erfolgt durch die Multiplikation einer NO _x -Konzentration 6 mit einer feuchte-korrigierten Rauchgasmenge 7. Wahlweise kann auch eine Verbrennungsluftmenge 8 herangezogen werden. Der Messingfühler 9 für die NO _x -Kon­ zentration befindet sich im Rauchgaskanal 2 zwischen Re­ duktionsreaktor 3 und Dampferzeuger 1.

Die Bildung des Stöchimetrie-Faktors erfolgt über einen Rechner 10 in Abhängigkeit der Reaktor-Eintrittstempera­ tur 11. Der Temperaturfühler 12 ist ebenfalls im Rauch­ gaskanal 2 angeordnet. Um die Alterung des Katalysators 4 zu kompensieren, wurde die Möglichkeit der Verschiebung der Stöchiometriekurve 13 in Abhängigkeit der NH₃-Konzen­ tration 14, die hinter dem Katalysator 4 gemessen wird, berücksichtigt. Dabei wird die erfaßte NH₃-Konzentration 14 einem Korrektur-Regler 15 aufgeschaltet, der diese mit einem vorgegebenen Sollwert 16 vergleicht. Der Ausgang 17 des Korrektur-Reglers 15 verändert somit entsprechend der NH₃-Sollwert-Abweichung die Stöchiometrie. Wahl- oder be­ darfsweise kann über Umschalter 18 die durch Rauchgas­ menge 7 bzw. Verbrennungsluftmenge 8 nach Multiplikation 19 mit dem Stöchiometrie-Faktor 20 zur NO _x -Reduktion ge­ förderte NH₃-Menge 21 auch direkt korrigiert werden 22. In diesem Falle würde der Ausgang des Stöchiometrie- Rechners 10 nicht durch die NH₃-Konzentration 14 beein­ flußt, sondern lediglich durch die Reaktor-Eintritts­ temperatur 11 bestimmt.

Der Einfluß der Alterung des Katalysators 4 auf die Stö­ chiometrie kann z. B. auch dadurch erfaßt werden, daß die Stöchiometriekurve 13 durch Multiplikation 23 des Aus­ gangs des Stöchiometrie-Rechners 10 mit einem fest vorge­ gebenen, manuell einstellbaren Faktor 24 verändert wird. In diesem Falle würde der Einfluß des NH₃-Korrektur-Reg­ lers über Umschalter 25 auf die Festwert-Vorgabe 24 umge­ schaltet.

Wahl- oder bedarfsweise kann bei Störungen der vorge­ schalteten Geräte oder zu Testzwecken die Stöchiometrie auch als Festwert gefahren werden. Hierzu wird über Um­ schalter 26 der automatisch ermittelte Stöchiometrie- Faktor 27 auf einen fest vorgegebenen, manuell einstell­ baren Festwert-Geber 28 umgeschaltet.

Bei jeder der durch die Schaltung möglichen Fahrweisen ergibt sich nach Multiplikation 19 der Stöchiometrie 20 mit der Rauchgasmenge 7 bzw. Verbrennungsluftmenge 8 die zur NO _x -Reduktion geforderte NH₃-Menge 21.

Um in jedem Falle die primäre NO _x -Konzentration 29, kor­ rigiert über den Sauerstoffgehalt 42, die hinter dem Katalysator 4 gemessen werden, unterhalb der zulässigen Grenzen zu halten, wird dieser Wert einem NO _x -Korrektur- Regler 30 aufgeschaltet, der nach Vergleich des NO _x -Ist- Wertes 29 mit dem vorgegebenen Sollwert 31 die NH₃-Menge 21 entsprechend der Regelabweichung beeinflußt 32. Dabei hat die primäre NO _x -Korrekturregelung 30 auf jeden Fall die höhere Priorität vor der NH₃ -Korrekturregelung 15. Das wird dadurch erreicht, daß die NH₃-Korrekturregelung 15 nur solange wirksam ist, wie die primäre NO _x -Konzen­ tration 29 unterhalb ihres Grenzwertes liegt. Bei Errei­ chen einer maximalen primären NO _x -Konzentration 29 wird der Einfluß des NH₃-Korrekturreglers 15 auf die Stöchio­ metrie 13, 23 oder auf die NH₃-Menge 21, 22 weggeschal­ tet 33 .

Das nach dem zuvor beschriebenen Verfahren ermittelte Re­ duktionsmittel-Mengensignal 34 wird dem Mengenregler 35 als Sollwert aufgeschaltet, der nach Vergleich mit dem Reduktionsmittel-Ist-Wert 36, der in der NH₃/Dampf- Leitung 37 zwischen NH₃-Verdampfer 38 und NH₃-Dampf/ Luft-Mischer 39 gemessen wird, die NH₃-Menge entspre­ chend der Regel-Abweichung über das Stellglied 40 verstellt.

Die auf diese Art bestimmte NH₃-Menge wird in den Rauch­ gas-Kanal 2 zwischen Dampferzeuger 1 und Reaktor 3 einge­ sprüht 41 und reduziert so in Verbindung mit dem Reaktor 3 die durch die Feuerung bestimmte NO _x -Ist-Konzentration 6 auf die vorgeschriebene NO _x -Soll-Konzentration 14, 16.

Der Aufbau dieser Regelung bewirkt somit die geforderte NO _x -Reduktion unter Berücksichtigung einer material­ schonenden reduktionsmittelmindernden Fahrweise.

Claims (2)

1. Verfahren zur Mengenregelung des Reduktionsmittels, insbesondere von Ammoniak, für eine katalytische Reduktion von NO _x aus Rauchgasen, die einer mit fossilen Brennstoffen befeuerten Verbrennungsanlage entstammen, wobei eine veränderbare Regelgröße für die Reduktionsmittel-Mengenregelung auf elektronischem Wege aus einem vorgegebenen und beeinflußbaren Reduktionsmittel/NO _x -Stöchiometrie-Faktor und aus Meßwerten für den Sauerstoffgehalt und den NO _x -Gehalt vor und nach dem Katalysator, für die Rauchgasmenge vor dem Katalysator, sowie aus dem Reduktionsmittelgehalt nach dem Katalysator bestimmt wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale

• a) der über einen Sauerstoffgehalt (42) korrigierte NO _x -Gehalt (21) nach dem Katalysator (4) verändert als primärer Korrektur- und Ist-Wert nach Vergleich mit einem einzuhaltenden Soll-Grenzwert (31) die Regelgröße (21) für die Reduktionsmittel-Mengenregelung,
• b) als sekundäre Korrekturgrößen beeinflussen eine Rauchgastemperatur (12) vor dem Katalysator (4) und/oder der Reduktionsmittel-Gehalt (14) nach dem Katalysator den über eine temperaturabhängige Aktivitätskurve des Katalysators (4) bestimmten Reduktionsmittel/NO _x -Stöchiometrie-Faktors (23), aus dem anschließend durch Multiplikation mit einer NO _x -Menge, die sich aus der NO _x -Konzentration (6) und der feuchtekorrigierten Rauchgasmenge (7) vor dem Katalysator (4) errechnet, die Regelgröße (21) für die Reduktionsmittel-Mengenregelung ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der feuchte-korrigierten Rauchgasmenge (7) die Verbrennungsluftmenge (8) für die NO _x -Mengenberechnung herangezogen wird.