NL8403184A

NL8403184A - Werkwijze voor het regelen van de hoeveelheid toe te voeren reductiemiddel bij de katalytische reductie van no in rookgassen.

Info

Publication number: NL8403184A
Application number: NL8403184A
Authority: NL
Original assignee: Steinmueller Gmbh L & C
Priority date: 1983-10-18
Filing date: 1984-10-18
Publication date: 1985-05-17
Also published as: DE3337793A1; JPS60102921A; DE3337793C2; ATA329884A; US4565679A; US4681746A

Description

( i VO 6579

Titelj Werkwijze voor het regelen van de hoeveelheid toe te voeren reductiemiddel bij de katalytische reductie van ΝΟχ in rookgassen.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het regelen van de hoeveelheid toe te voeren reductiemiddel, in het bijzonder NH^ bij de katalytische reductie van NO in rookgassen, die vrijkomen uit een met fossiele brandstoffen gestookte verbrandingsinrichting, waarbij 5 de stelgrootheid voor de toe te voeren hoeveelheid reductiemiddel aan de hand van de aan de verbrandingsinrichting tcegevoerde hoeveelheid verbrandingslucht of de uitstromende rookgashoeveelheid en de NOx~concentratie stroomafwaarts vóór de katalysator bij een tevoren vastgestelde reductiemiddel/NOx-stoechicmetriefactor vastgesteld wordt 10 door beïnvloeding van de stoechiometriefactor.

Bij de verbranding van fossiele brandstoffen ontstaat naast andere schadelijke stoffen het in hoge mate milieu-belastende Ν0χ. Ter vermindering van de NOx-emissie uit met dergelijke brandstoffen gestookte ver-brandingsinrichtingen zijn werkwijzen bekend, waarbij onder toepassing 15 van een reductiemiddel, zoals b.v. NH^, in aanwezigheid van een katalysator, zoals b.v. vanadiumverbindingen op titaanoxydragers, een reductie van NO tot moleculaire stikstof en waterdamp plaatsvindt.

X

Het is bekend het reductiemiddel te doseren afhankelijk van de hoeveelheid rookgas, die uit de verbrandingsinrichting komt en van de 20 NO^-concentratie stroomafwaarts, vddr de katalysator. Als alternatief voor de rookgashoeveelheid wordt ook vaak de hoeveelheid verbrandingslucht, die aan de verbrandingsinrichting toegevoerd wordt, gebruikt als stuurgrootheid. De stelgrootheid voor de hoeveelheid toe te voeren reductiemiddel wordt verkregen door.multiplicatieve verbinding van deze 25 ingangssignalen met een tevoren vastgestelde reductiemiddel/NO -stoe-chiometriefactor. De stoechiometriefactor is daarbij afhankelijk van de grootte van de inrichting en de constructie van de reductiereactor (werkzaam katalysator-contactoppervlak) op een constante waarde van 0,7-0,1 ingesteld. Een dergelijke vaste instelling heeft echter als con-30 sequentie, dat als vergelijkingsgrootheid voor de stoechiometriefactor van de maximaal optredende NOx~concentratie gebruikt gemaakt moet worden om de wettelijke emissiegrenswaarden te kunnen halen.

840 31 8 4 - 2 -

Bij een dergelijke uitvoering van de werkwijze houdt men er echter geen rekening mee, dat de katalysator aan een zekere veroudering vanwege contaminatie door Ξ0χ in het rookgas onderworpen is. Hetzelfde effect hebben de stofdeeltjes in het rookgas, die tot een vervuiling van de 5 katalysator-eontactoppervlakken aanleiding geven en een erosie van het katalysatormateriaal tengevolge van de toevoer onder druk aanleiding geven. Dit alles tezamen leidt tot een afname van de activiteit resp. verschuiving van de activiteitscurve van de katalysator bij toenemende bedrijfsduur. Op grond van de van tevoren vastgestelde stoechiometrie-10 factor wordt derhalve bij de bekende regeling in de loop van de tijd het reductiemiddel in overmaat toegevoerd.

Deze overmaat van niet gereageerd reductiemiddel is niet alleen vanuit het oogpunt van bedrijfskosten nadelig, maar veroorzaakt ook een hele serie technische problemen. Het niet-gereageerde reductiemiddel kan 15 met de in het rookgas aanwezige schadelijke stoffen verbindingen aangaan, waarvan het dauwpunt ligt onder de koudgastemperatuur van de luchtvoor-verwazmer, die achter een verbrandingsinrichting is aangebracht. Zo kan bijvoorbeeld uit het als reductiemiddel toegevoegde ammoniak en de ΞΟχ uit het rookgas ammoniumsulfaat en ammoniumbisulfaat gevormd worden, 20 die tengevolge van de afkoeling van het rookgas in de luchtverwarmer beneden een temperatuur van ca. 220°C als afzettingen op de warmtewisse-laaroppervlakken neerslaan. Daardoor wordt de warmteoverdracht verminderd, zodat de standtijd van de warmtewisselende oppervlakte van een luchtvoor-verwarmer niet alleen door corrosie, maar ook door de in overmaat toe-25 gegeven hoeveelheid reductiemiddel beperkt wordt. Niet te onderschatten is ook het feit, dat de mogelijkheid om de bij de navolgende rookgasontzwaveling gewonnen eindprodukten verder af te zetten, bijvoorbeeld voor een verdere verwerking als bouwstof, in dezelfde mate verslechtert als de concentratie aan verontreinigingen, dus ook niet-gereageerd 30 reductiemiddel, toeneemt. Een mogelijke deponie van de bij de rookgas-ontzwaveling vrijkomende reactieprodukten kan vanwege de daarmee verbonden hoge kosten, evenals de mogelijke schadelijke werking voor het milieu van deze stoffen, niet als alternatief in aanmerking genomen worden.

35 Deze nadelen hebben betrekking op een verbrandingsinrichting, die normaal bedreven wordt, maar deze problemen verveelvoudigen zich 840 31 8 4 •r § - 3 - bij krachtcentrales, die ter aanpassing aan het momentane energieverbruik regelmatig in en uit bedrijf genomen moeten worden of bij lagere deelbelasting bedreven moet worden. De basis voor deze problemen ligt in de temperatuur-afhankelijke activiteitsvurve van de katalysator.

5 Afhankelijk van het materiaal ontwikkelt de katalysator zijn maximale activiteit bij een rookgastemperatuur tussen 250 én 4QQ°C, waarbij naar de kant van de lagere temperaturen een sterke afname optreedt.

In het bijzonder bij het in bedrijf nemen van een verbrandings-inrichting maar ook bij het uit bedrijf nemen of bij extreem lage deel-10 belastingen hebben de rookgassen, die uit de verbrandingsinrichting stromen een lagere temperatuur. Bij toepassing van de bekende regeling met een op normale belasting berekende en vast ingestelde stoecniometrie-factor, wordt daarbij dan een groot overschot aan niet-gereageerd reductiemiddel achter de katalysator veroorzaakt.

15 Het doel van de uitvinding is derhalve de werkwijze, die in de inleiding beschreven is, op die manier verder te ontwikkelen, dat een optimalisatie van de toe te voeren hoeveelheid aan reductiemiddelen mogelijk wordt voor alle soorten belastingen van een verbrandings inrichting,. zodat een overschot aan reductiemiddel stroomafwaarts achter de 20 katalysator vermeden wordt. De afname van de katalysatoractiviteit met toenemende bedrijfstijd moet daarbij gelijktijdig in rekening gebracht worden.

Volgens de uitvinding wordt dit doel bereikt, doordat de NOj-concentratie stroomafwaarts achter de katalysator als primaire en 25 de rookgastemperatuur vddr de katalysator als secundaire correctie- grootheid op de regeling teruggevoerd worden en de ingestelde stoechio-metriefactor dusdanig beïnvloeden, dat met behoud van de NO^-emissie-grenswaarde als ingestelde waarde van de primaire correctiegrootheid de stoechiometriefactor via de temperatuur-afhankelijke activiteits-30 curve van de katalysator geregeld wordt.

Als alternatieve oplossing wordt volgens de uitvinding voorgesteld, dat als secundaire correctiegrootheid de reductiemiddelconcen-tratie stroomafwaarts achter de katalysator dient en dat met behoud van de NO^-emissiegrenswaarde een overmaat aan niet-gereageerd reductie- 35. middel achter de katalysator in een overmaat van 50 tot 3 dpm (volume) 84031 8 4

V

- 4 - boven een van tevoren vastgestelde waarde door een overeenkomstige verandering van de stoechiometriefactor, aangehouden wordt. Bij voorkeur is deze. overmaat kleiner dan 10 dpm (volume) boven de van tevoren vastgestelde waarde.

5 In een verdere uitwerking van de uitvinding dienen als secundaire correctiegrootheden de reductiemiddelconcentratie stroomafwaarts achter de katalysator en de rookgastemperatuur vd<5r de katalysator en wordt de ingestelde stoechiometriefactor dusdanig beïnvloed, dat met behoud van de emissiegrenswaarde als ingestelde waarde van de primaire correctie-10 grootheid en van- een reductiemiddelconcentratie stroomafwaarts achter de katalysator onder een van tevoren vastgelegde waarde in het bereik van 50 tot 3 dpm (volume), bij voorkeur kleiner dan 10 dpm (volume), de stoechiometriefactor middels de temperatuur-afhankelijke activiteits-curve van de katalysator geregeld wordt.

15 De volgens de uitvinding bereikte voordelen bestaan daaruit, dat bij alle soorten belastingen van een met fossiele, brandstoffen gestookte krachtcentrale, de toe te voeren hoeveelheid aan reductiemiddel optimaal geregeld wordt. Daardoor verkrijgt men niet alleen een besparing aan reductiemiddel, maar tegelijkertijd worden ook afzettingen op de warmte-20 wisselaaroppervlakken van de luchtvoorverwarmer vermeden. Daarmee is ook het gevaar van een afname van de werking van de luchtvoorverwarmer tengevolge van afzettingen uit de reactieprodukten van niet-verbruikt reduct-tiemiddel en schadelijke stoffen uit het rookgas afgewend. Bovendien bevinden zich dan ook geen verontreinigingen in de vorm van niet-verbruikt 25 reductiemiddel in de bij de rookgasontzwaveling gewonnen eindprodukten. Deze voordelen worden daardoor bereikt, dat de stoechiometriefactor voor de verhouding van reductiemiddel tot ΝΟχ onder behoud van de wettelijk voorgeschreven NO -emissiegrenswaarde aan de momentane belasting van de verbrandingsinrichting aangepast wordt. Daartoe wordt de rookgas-30 temperatuur stroomafwaarts voor.de katalysator gemeten en de stoechiometriefactor door middel van de temperatuur-afhankelijke activiteits-curve van de katalysator gecorrigeerd. Als alternatief daarvoor kan ook de concentratie van het niet-gereageerde reductiemiddel stroomafwaarts achter de katalysator direct gemeten worden om daarmee een overeenkom-35 stige verandering van de stoechiometriefactor aan te brengen. De veroudering van het katalysatormateriaal tengevolge van vervuiling door ΞΟχ 840 31 8 4 i s - 5 - in het rookgas, evenals mechanische slijtage door het in het rookgas aanwezige stof en de daarmee gepaard gaande afname van de katalysator-activiteit wordt volgens de uitvinding daardoor in rekening gebracht, dat als secundaire correctiegrootheid zowel de reductiemiddelconcentra-5 tie stroomafwaarts achter de katalysator, alsook de rookgastemperatuur vóór de katalysator op de regeling teruggevoerd worden. De beïnvloeding van de stoechiometriefactor vindt daarbij dusdanig plaats, dat de reductiemiddelconcentratie achter de katalysator niet boven een van tevoren vastgestelde waarde van b.v. kleiner dan 10 dpm (volume) 10 stijgt en de stoechiometriefactor middels de voor de inwerkingstelling opgenomen temperatuur-afhankelijke activiteitscurve geregeld wordt.

Een mogelijke uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens, de uitvinding wordt nu aan de hand van de in de figuur aangegeven regelkring nader toegelicht.

15 De figuur toont de vuurkamer van een stoomketel 1, waaruit het rookgas via kanaal 2 aan de van katalysatoren 4 voorziene reductie-reactor 3'toegevoerd wordt en aansluitend na NO -reductie via de reactor-uitgang 5 aan een erachter aangebrachte luchtvoorverwarmer toegevoerd wordt. De bepaling van de NO^-hoeveelheid vindt plaats door vermenig-20 vuldiging van de NO -concentratie. 6 met de voor waterdamp gecorrigeerde hoeveelheid rookgas 7. Naar keuze kan ook de hoeveelheid verbrandingslucht 8 mee in aanmerking genomen worden. De messingvoeler 9 voor de NOx-concentratie bevindt zich in. rookgaskanaal 2 tussen reductiersactcr 3 en stoomketel 1.

25 De vaststelling van de stoechiometriefactor vindt plaats door middel, van een rekeninrichting 10 in afhankelijkheid van de reactor-ingangstemperatuur 11. De temperatuurvoeler 12 is eveneens in rookgaskanaal 2 aangebracht. Om voor de veroudering van de· katalysator 4 te compenseren, werd rekening gehouden met de mogelijkheid van de verschui-30 ving van de stoechiometriecurve 13 in afhankelijkheid van de ammoniak-concentratie 14, die achter de katalysator 4 gemeten wordt. Daarbij wordt de gemeten NH^-concentratie 14 aan een correctieregelaar 15 toegevoerd, die deze met een van tevoren ingestelde waarde 16 vergelijkt. Uitgang 17 van de correctieregelaar 15 verandert derhalve de stoechio-35 metrie overeenkomstig de afwijking van de ingestelde NH^-waarde. Naar 840 31 8.4 - 6 - O' v keuze of naar behoefte kan door midel van omschakelaar 18 de, door rookgashoeveelheid 7 resp. de verbrandingsluchthoeveelheid 8 na vermenigvuldiging 19 met de stoechiometriefactor 20 ter NOx~reductie benodigde NH^-hoeveelheid 21 ook direkt gecorrigeerd worden, via 22. In dit geval wordt 5 dan de uitgang van de stoechiometrierekenaar 10 niet door de NH^-concentratie beïnvloed, maar alleen door de reactorintraetemperatuur 11 bepaald.

De invloed van de veroudering van de katalysator 4 op de stoechio-metrie kan bijvoorbeeld ook daardoor in rekening gebracht worden., dat de stoechiometriecurve 13 door vermenigvuldiging 23 van de uitgang van de 10 stoechiometrierekeninrichting 10 met een vast van tevoren vastgestelde, met de hand instelbare factor 24 veranderd wordt. In dit geval wordt dan de invloed van de NH^-correctieregelaar via omschakelaar 15 op de van tevoren vastgestelde waarde 24 omgeschakeld.

Naar keuze of naar behoefte kan bij storingen van de voorgescha-15 kelde inrichtingen of bijvoorbeeld voor testdoeleinden, de stoechio- metrie ook als vaste waarde gehouden worden. Hiertoe wordt via omschake-laat 16 de automatisch.aangegeven stoechiometriefactor op een vaste, met de hand instelbare vaste waardeaangever 28 omgeschakeld.

Bij ieder van de door de schakeling mogelijke uitvoeringen, ver-20 krijgt men na vermenigvuldiging 19 van de stoechiometrie 20 met de rookgashoeveelheid 7 resp. verbrandingsluchthoeveelheid 8, de voor ΝΟχ-reductie benodigde NH^-hoeveelheid 21.

Om in elk geval de primaire NO -concentratie 29, gecorrigeerd via het zuurstofgehalte 42, die achter de katalysator 4 gemeten wordt, 25 onder de toegelaten grenzen te houden, wordt deze waarde aan een NO -correctieregelaar 30 toegevoerd, die na vergelijking van de nominale NO -waarde 29 met de ingestelde waarde 31 de NH-, -hoeveelheid 21 analoog

A O

aan de afwijking beïnvloedt via 32. Daarbij heeft de primaire ΝΟχ-correctieregeling 30 in elk geval een hogere prioriteit dan de NH^-30 correctieregeling 15. Dat wordt daardoor bereikt, dat de NH^-correctie-regeling 15 slechts zo lang werkzaam is, als de primaire NOx~concentra-tie 29 onder haar grenswaarde ligt. Bij bereiken van een maximale primaire NOx-concentratie 29 wordt de invloed van de NH^-correctieregelaar 15 op de stoechiometrie 13, 23 of op de NH^-hoeveelheid 21, 22 35 weggeschakeld 33.

840 31 8 4 - 7 -

Het na de hiervoor beschreven werkwijze verkregen reductiemiddel-hoeveelheidssignaal 34 wordt aan de hoeveelheidsregelaar 35 ais instelwaarde toegevoerd, die na vergelijking met de nominale reductiewaarde 16 die in de NH^/stoomleiding 37 tussen -verdamper 38 en -stoom/ 5 luchtmenger 39 gemeten wordt, de NH^-hoeveelheid overeenkomstig de afwijking via instelling 40 verandert.

De op deze wijze vastgestelde NH^-hoeveelheid wordt Ja het rookgaskanaal 2 tussen stoomketel 1 en reactor 3 ingespoten via 41 .en reduceert zo tezamen met de reactor 3 de door de verbranding verkregen nominale NO^-concen-10 tratie 6 op de voorgeschreven ingestslde NOx-concentratie 14, 16.

De wijze waarop deze regeling uitgevoerd is heeft tot gevolg,. · dat de vereiste NO -reductie verkregen wordt, terwijl tevens een bespa-ring aan reductiemiddel en een verminderde slijtage van de materialen optreedt.

840 31 8 4

Claims

1. Werkwijze voor het regelen van de toe te voeren hoeveelheid reductiemiddel, in het bijzonder NH^, bij de katalytische reductie van Ν0χ uit rookgassen die komen uit een met fossiele brandstoffen gestookte verbrandingsinrichting, waarbij de stelgrootheid voor de toe te voeren 5 hoeveelheid ' reductiemiddel berekend wordt aan de hand van de aan de verbrandingsinrichting toegevoerde hoeveelheid verbrandingslucht of van de hoeveelheid uit de verbrandingsinrichting uitstromende rookgas en van de NOx~concentratie stroomafwaarts v<5<5r de katalysator, bij een van tevoren vastgestelde reductiemiddel/NOx stoechiometriefactor, door 10 beïnvloeding van deze stoechiometrief actor, met het kenmerk, dat de NOx-concentratie stroomafwaarts achter de katalysator als primaire en de rookgastemperatuur vódr de katalysator als secundaire correctie-grootheid op de regeling teruggevoerd worden en de ingestelde stoechio-metriefactor dusdanig beïnvloeden dat met behoud van de NOx-emissie-15 grenswaarde als ingestelde waarde van de primaire correctiegrootheid, de stoechiometriefactor via de temperatuur-afhankelijke activiteitscurve van de katalysator geregeld wordt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat als secundaire correctiegrootheid de reductiemiddelconcentratie stroomafwaarts achter 20 de katalysator dient en dat met behoud van de NOx~emissiegrenswaarde een overschot aan niet-gereageerd reductiemiddel achter de katalysator in overmaat boven een van tevoren vastgestelde waarde in een bereik van 50 tot 3 dpm (volume) bij voorkeur kleiner dan 10 dpm (volume), door een overeenkomstige verandering van de stoechiometriefactor verkregen 25 wordt.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat als secundaire correctiegrootheden de reductiemiddelconcentratie stroomafwaarts achter de katalysator en de rookgastemperatuur vd<5r de katalysator dienen, en dat de ingestelde stoechiometriefactor dusdanig beïnvloed wordt, dat 30 met behoud van de emissiegrenswaarde als ingestelde waarde van de primaire correctiegrootheid en van een reductiemiddelconcentratie stroomafwaarts achter de katalysator onder een van tevoren vastgestelde waarde in een bereik van 50 tot 3 dpm (volume) , bij voorkeur kleiner dan 10 dpm 840 31 8 4 - 9 - (volume), de stoechiometriefactor middels de temperatuur-afhankelijke activite its curve van de katalysator geregeld wordt. 840 31 8 4