DE4019037A1 - Verfahren zur steuerung der zufuehrung nox-reduzierender chemikalien - Google Patents

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung von Ort und Menge der Zuführung NOX-redu­ zierender Chemikalien in den Rauchgasstrom von Ver­ brennungsanlagen innerhalb von gewünschten, vorgegebenen Temperaturbereichen der Rauchgase zwecks Einhaltung vor­ gegebener, zulässiger Maximalwerte von NOX im abgegebenen Abgas.

Es ist bekannt, daß man den vorgegebenen zulässigen Maxi­ malwert von NOX im abgegebenen Abgas von Verbrennungs­ anlagen dadurch einhalten kann, daß in den Rauchgasstrom NOX-reduzierende Chemikalien eingesprüht oder eingeblasen werden. Dabei hat sich gezeigt, daß der Effekt dieser Maßnahme im erheblichen Maße davon abhängt, daß diese Chemikalien am richtigen Ort und in der richtigen Menge zugeführt werden.

Der Ort der Zuführung ist vor allem so zu wählen, daß die Chemikalien nur in einem gewünschten, vorgegebenen Tempe­ raturbereich zugeführt werden. Die Menge der zugeführten Chemikalien hängt vor allem von der Menge des gebildeten NOX ab. Die NOX-Bildung hängt wiederum erheblich von den Verbrennungstemperaturen, dem Sauerstoffüberschuß sowie von der gefahrenen Last der Anlage ab.

Zu den NOX-reduzierenden Chemikalien zählen nicht nur die Chemikalien die NOX im chemischen Sinne reduzieren, son­ dern auch solche, die NOX im chemischen Sinne oxidieren, da auch diese dazu beitragen können, die vorgegebenen zu­ lässigen Maximalwerte von NOX im abgegebenen Abgas einzu­ halten.

Ort und Menge der Zuführung NOX-reduzierender Chemikalien haben einen entscheidenden Einfluß auf den Wirkungsgrad der Entstickung auch bei katalytischen Entstickungsver­ fahren. Von außerordentlicher Bedeutung sind sie aber vor allem bei den nicht-katalytischen Verfahren. Insbesondere bei nicht-katalytischen Entstickungsverfahren ist es not­ wendig, die NOX-reduzierenden Chemikalien innerhalb von gewünschten, vorgegebenen Temperaturbereichen dem Rauch­ gasstrom zuzuführen.

Typische NOX-reduzierende Chemikalien sind Ammoniak, Harnstoff, Biuret, Triuret, Amide, die in reiner Form, vorzugsweise aber in Form wäßriger Lösungen in den Abgas­ strom eingeblasen oder eingesprüht werden. Weitere NOX- reduzierende Chemikalien sind Wasserstoff, Wasserstoff­ peroxid, organische Peroxide, niedere Alkohole oder nie­ dere Kohlenwasserstoffe. In einigen Fällen kommen auch Gemische derartiger Substanzen zum Einsatz, in anderen Fällen werden verschiedene Chemikalien an verschiedenen Orten bei verschiedenen Temperaturen zugeführt.

Der allgemeine Stand der Technik auf diesem Gebiet sowie eine spezielle Ausführungsform derartiger nicht-kataly­ tischer Verfahren sind in der europäischen Patentpubli­ kation 03 26 943 beschrieben. In der Praxis hat sich ge­ zeigt, daß bei Einhaltung von Ort und Menge der zugeführ­ ten NOX-reduzierenden Chemikalien in den Rauchgasstrom wäßrige Harnstofflösungen oder wäßrige Ammoniaklösungen hervorragende Ergebnisse liefern. Die Ergebnisse können in einigen Fällen, insbesondere bei Abgasen mit hoher NOX-Belastung, durch Zuführung einer zweiten Chemikalie, wie Methanol, verbessert werden. Bei dem Verfahren gemäß europäischer Patentpublikation 03 26 943 wirkt Methanol als Peroxidbildner, welches NO zu NO₂ oxidiert. Das ge­ bildete NO₂ kann in den meist nachgeschalteten nassen Rauchgasentschwefelungsanlagen zusätzlich aus dem Rauch­ gas entfernt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Ort und Menge der Zuführung NOX-reduzierender Chemikalien in den Rauch­ gasstrom von Verbrennungsanlagen innerhalb von gewünsch­ ten vorgegebenen Temperaturbereichen der Rauchgase so zu steuern, daß die vorgegebenen zulässigen Maximalwerte von NOX im abgegebenen Abgas eingehalten werden. Dabei ist jedoch darauf zu achten, daß die Menge an NOX-reduzieren­ den Chemikalien nicht nur aus ökonomischen, sondern auch aus ökologischen Gründen so gering wie möglich gehalten wird, da beispielsweise durch Zuführung von zu hohen Mengen an Ammoniak oder Harnstoff der Schlupf an unver­ brauchtem Ammoniak Obergrenzen überschreiten kann. Dieser Schlupf führt zu erhöhten Belastungen der Abluft oder des Abwassers. Zu hohe Mengen an Alkoholen oder Kohlenwasser­ stoffen führen zu steigenden Mengen an Kohlenmonoxid und/oder anderen nur teilweise verbrannten Kohlenstoff­ derivaten, was ebenfalls vermieden werden sollte.

Eine weitere Aufgabe besteht somit darin, Ort und Menge der Zuführung NOX-reduzierender Chemikalien so zu steuern, daß auch der Chemikalienverbrauch optimiert wird. Hierunter ist zu verstehen, daß die zugeführte Menge an Chemikalien nur so hoch ist wie wirklich nötig und dabei soweit vermindert wird wie es noch möglich ist, ohne die vorgegebenen zulässigen Maximalwerte von NOX im abgegebenen Abgas zu überschreiten.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Vorversuchen zunächst in dem örtlichen Bereich zwi­ schen Verbrennungsraum und der letzten Zuführungsebene für die Chemikalien die verschiedenen Temperaturgefälle der Rauchgase ermittelt werden, und zwar einerseits in Abhängigkeit von der Temperatur im Verbrennungsraum, an­ dererseits in Abhängigkeit von der gefahrenen Last der Verbrennungsanlage, sodann die NOX-Gehalte (oder diesen proportionale Meßgrößen) ermittelt werden bei Zuführung der Chemikalien in verschiedenen Zuführungsebenen, welche oberhalb und/oder innerhalb der gewünschten vorgegebenen Temperaturbereiche liegen, und zwar einerseits in Abhän­ gigkeit von der zugeführten Menge an Chemikalien, ande­ rerseits in Abhängigkeit von der gefahrenen Last der Ver­ brennungsanlage, sodann aus den ermittelten Daten ein Steuerungsprogramm erstellt wird, welches beim laufenden Betrieb der Verbrennungsanlage als Meßwerte zur Steuerung nur noch die gefahrene Last und die Temperatur an einem konstanten Punkt des Rauchgasstromes im genannten ört­ lichen Bereich benötigt.

Die zugeführte Menge an Chemikalien kann dadurch opti­ miert werden, daß zusätzlich der Meßwert für NOX (oder diesem proportionale Meßgrößen) benutzt wird. Der Meßwert für NOX sollte dabei aber einen verringerten und/oder begrenzten Einfluß auf die Steuerung haben, da es an­ dernfalls zu Stabilitätsproblemen im Gesamtsystem kommen kann. Primäre und dominierende Steuerungsgrößen müssen somit die gefahrene Last und die Temperatur an einem konstanten Punkt des Rauchgasstromes in dem genannten örtlichen Bereich bleiben. Nur dann ist gewährleistet, daß die Chemikalien in dem relativ engen gewünschten und vorgegebenen Bereich zugeführt werden, d. h. in dem soge­ nannten Temperaturfenster. Der Ort dieses Temperatur­ fensters verschiebt sich bei unterschiedlichen Betriebs­ zuständen des Kessels der Verbrennungsanlage erheblich, so daß die Notwendigkeit besteht, den Ort der Zuführung mit relativ geringer Verzögerung den jeweiligen Betriebs­ zuständen anzupassen. Um den Ort der Zuführung zu variieren, wird man daher verschiedene hintereinander liegende Zuführungsebenen für die Chemikalien schaffen. Das Minimum an Zuführungsebenen liegt dabei bei zwei Ebenen. Prinzipiell können zwar beliebig viele Zufüh­ rungsebenen vorgesehen werden, jedoch steigt mit jeder weiteren Zuführungsebene der apparative Aufwand und der Aufwand für die Wartung und Steuerung jeder Ebene, so daß man in der Praxis nur ausnahmsweise mehr als fünf Ebenen vorsehen wird.

Es hat sich gezeigt, daß es möglich ist, durch die erfin­ dungsgemäß durchgeführten Vorversuche ein Steuerungspro­ gramm zu erstellen, welches beim laufenden Betrieb der Verbrennungsanlage nur noch zwei bzw. drei Meßwerte be­ nötigt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß durch die Vorversuche die anlagenspezifischen Zusammenhänge zwi­ schen Temperaturgefälle, gefahrener Last, Ort und Zeit der zugeführten Chemikalien, Reduzierung der NOX-Menge im abgebenen Abgas und Optimierung der zugegebenen Menge an Chemikalien ermittelt worden sind und dabei zu anlagen­ spezifischen Parametern verarbeitet worden sind. Der Steuerung ist somit allein aus dem einen Temperaturmeß­ wert und der gefahrenen Last bekannt, wo sich das oder die gewünschten Temperaturfenster befinden. Weiterhin ist der Steuerung dadurch bekannt, welche Chemikalienmengen in Abhängigkeit von der gefahrenen Last zuzuführen sind, um die vorgegebenen zulässigen Maximalwerte von NOX im abgegebenen Abgas einzuhalten. Durch die zusätzliche Be­ nutzung des Meßwertes für NOX oder diesen proportionale Meßgrößen kann dann eine Feinregelung erfolgen, die ins­ besondere die zugeführte Menge an Chemikalien optimiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden an einem Beispiel erläutert, bei dem in einer Müllverbrennungsan­ lage vier Zuführungsebenen vorhanden sind. In der anlie­ genden Fig. 1 wird gezeigt, wie in einer solchen Anlage aus den Meßwerten Temperatur RG (Rauchgas), Last und NOX auf jeder der vier Ebenen die Menge an Wasser und Harn­ stoff geregelt wird. Es ist zu erkennen, daß bei dieser Steuerung die Last zweimal berücksichtigt wird, und zwar einmal als Korrekturfaktor für den Temperaturwert und ein zweites Mal um Veränderungen des NOX-Gehaltes und der Rauchgasmenge bei der Optimierung der zugeführten Menge an Chemikalien Rechnung zu tragen.

Dominierende Steuerungsgröße in dem System ist somit die Temperatur an einem konstanten Punkt des Rauchgasstromes im genannten örtlichen Bereich zwischen Verbrennungsraum und der letzten Zuführungsebene für die Chemikalien. Da zumindest in Müllverbrennungsanlagen, jedoch auch in an­ deren Verbrennungsanlagen, wie Kohle- und Schwerölkraft­ werken, die Temperatur im Verbrennungsraum gemessen wird, kann bereits dieser Wert für die Steuerung verwertet wer­ den. Prinzipiell ist es aber auch möglich, die Temperatur an einem beliebigen anderen Ort zwischen dem Verbrennungs­ raum und der letzten Zuführungsebene für Chemikalien zu messen und hiermit das System zu steuern. Ein wichtiger weiterer Meßparameter ist die gefahrene Last, da bei gleicher Temperatur im Verbrennungsraum das Temperatur­ gefälle der Rauchgase erheblich verändert wird. Bei hoher Last ist dieses Temperaturgefälle weiter auseinanderge­ zogen als bei niedriger Last.

Schließlich wird im allgemeinen auch der Wert für NOX oder eine diesem proportionale Meßgröße laufend verfolgt. Eine leicht meßbare und daher geeignet proportionale Größe ist der Gehalt an Restsauerstoff hinter dem Ver­ brennungsraum und somit auch in den abgegebenen Abgasen. Prinzipiell wäre es auch möglich, anstatt der NOX-Werte zur Feinregulierung den Ammoniakschlupf heranzuziehen. Dieser ist jedoch bisher schwieriger und nur mit größerer Verzögerung kontinuierlich meßbar. Weiterhin ist es prin­ zipiell möglich und gegebenenfalls sogar notwendig, die ursprünglichen Vorversuche später zu wiederholen und das Steuerungssystem neu einzustellen, insbesondere wenn die Kesselbedingungen der Verbrennungsanlage geändert wurden.

Für den Betreiber der Verbrennungsanlage ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine einfache, übersichtliche und dennoch optimale Steuerung von Ort und Menge der Zu­ führung NOX-reduzierender Chemikalien, wobei gewährlei­ stet ist, daß weder die vorgegebenen zulässigen Maximal­ werte von NOX im abgegebenen Abgas noch der Schlupf an Ammoniak oder die Emission von anderen unerwünschten oder unzulässigen Reststoffen im Abgas überschritten wird. Gleichzeitig gewährleistet das Verfahren einen opti­ mierten Verbrauch an Chemikalien, wodurch das Kraftwerk nicht nur ökologisch, sondern auch ökonomisch optimal entstickt wird.

Claims (2)

1. Verfahren zur Steuerung von Ort und Menge der Zufüh­ rung NOX-reduzierender Chemikalien in den Rauchgas­ strom von Verbrennungsanlagen innerhalb von gewünsch­ ten, vorgegebenen Temperaturbereichen der Rauchgase zwecks Einhaltung vorgegebener, zulässiger Maximal­ werte von NOX im abgegebenen Abgas, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Vorversuchen zunächst in dem ört­ lichen Bereich zwischen Verbrennungsraum und der letzten Zuführungsebene für die Chemikalien die ver­ schiedenen Temperaturgefälle der Rauchgase ermittelt werden, und zwar einerseits in Abhängigkeit von der Temperatur im Verbrennungsraum, andererseits in Ab­ hängigkeit von der gefahrenen Last der Verbrennungs­ anlage, sodann die NOX-Gehalte (oder diesen propor­ tionale Meßgrößen) ermittelt werden bei Zuführung der Chemikalien in verschiedenen Zuführungsebenen, welche oberhalb und/oder innerhalb der gewünschten vorge­ gebenen Temperaturbereiche liegen, und zwar einerseits in Abhängigkeit von der zugeführten Menge an Chemika­ lien, andererseits in Abhängigkeit von der gefahrenen Last der Verbrennungsanlage, sodann aus den ermittel­ ten Daten ein Steuerungsprogramm erstellt wird, wel­ ches beim laufenden Betrieb der Verbrennungsanlage als Meßwerte zur Steuerung nur noch die gefahrene Last und die Temperatur an einem konstanten Punkt des Rauchgas­ stromes im genannten örtlichen Bereich benötigt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, daß zusätzlich der Meßwert für NOX (oder diesem proportionale Meßgrößen) zur Steuerung benutzt wird, um die zugeführte Menge an Chemikalien zu optimieren.