Technisches und wirtschaftliches Potenzial der

Ihr
w
Lo NOxPartner
Lorem
ipsum dolor
Lorem
ipsum dolor
Unsere Technik – Ihre Wahl
NOx-Reduktion vom Profi
ERC als einer der Markt- und Technologieführer bei DeNOx-Anlagen in
Europa entwickelt und produziert hocheffiziente, individuell zugeschnittene
Entstickungssysteme für unterschiedliche Verbrennungsanlagen, Kraftwerksund Industrieanwendungen. Aus einem Bündel möglicher Maßnahmen
entwickeln wir für Sie die individuell effizienteste Lösung:
· SNCR-Anlagen
· SCR-Anlagen
· Kombi-Anlagen nach dem ERC-plus Verfahren
· ERC-Verfahrenshilfsstoffe zur optimalen Verbrennung mit geringen Emissionen
Technisches und wirtschaftliches Potenzial der Online-Bilanzierung
Technisches und wirtschaftliches Potenzial
der Online-Bilanzierung
1. Auswirkungen der Novellierung der 17. BImSchV.................................304
1.1. Ertüchtigung von Bestandsanlagen...........................................................304
1.2. Randbedingungen des Designs von SNCR Anlagen...............................306
2. Potenziale der Online-Bilanzierung..........................................................308
2.1. Regelung der SNCR
mit Hilfe des online berechneten Rohgas-NOx........................................308
2.2. Plausibilitätsprüfung und Messwertdrift..................................................313
2.3. Bestimmung des Brennstoffmassenstromes und des Heizwertes..........313
2.4. Fehlerhafte Messung des Bezugssauerstoffs.............................................314
2.5. Wirtschaftliches Potenzial...........................................................................315
3. Ausblick und Zusammenfassung...............................................................315
4. Quellen..........................................................................................................316
Im Folgenden werden nach einer Darstellung der Auswirkungen der Novellierung der
17. Bundesimmissionsschutzverordnung (17. BImSchV) das technische Potential von
Online Monitoring zur Einhaltung der neuen Grenzwerte, sowie das wirtschaftliche
Potenzial für Abfallverwertungsanlagen dargestellt. Der Begriff Online beschreibt
hierbei die Echtzeitfähigkeit des Systems. Das Potenzial dieser Technik besteht unter
anderem darin, die Einhaltung der neuen Grenzwerte zu sichern und zudem dem Anlagenbetreiber nicht direkt bestimmbare Betriebsgrößen, wie z.B. den Heizwert oder die
Brennstoffzusammensetzung über geeignete Massen- und Energiebilanzen verfügbar
zu machen. Eine auf die verfügbaren Informationen angepasste, optimierte Fahrweise
des Kessels ermöglicht z.B. während des Betriebs eine Anpassung der Luftaufteilung
zur optimalen Verbrennung durch einen Anlagenfahrer [1]. Die resultierenden Vorteile bürgen somit nicht nur einen technischen Vorteil den Prozess besser bewerten zu
können, sondern auch wirtschaftliche Potenziale eines angepassten Anlagenbetriebs.
Des Weiteren wird basierend auf den nun zugänglichen Größen auch ein neues Regelungskonzept für die SNCR ermöglicht.
303
Monitoring
Philip Reynolds und Claas Günther
Philip Reynolds, Claas Günther
1. Auswirkungen der Novellierung der 17. BImSchV
Die Novellierung der 17. BImSchV erfolgte im Mai 2013. Neben der Einführung eines Grenzwertes für Ammoniak (NH3) wurde unter anderem eine Verschärfung der
Grenzwerte für Quecksilber und Stickstoffoxide beschlossen [7]. In der 17. BImSchV
wird nunmehr zwischen Bestands- und Neuanlagen sowie bezüglich der installierten
Feuerungswärmleistung unterschieden. Eine detaillierte Aufstellung der für die Entstickung wichtigen gesetzlichen Parameter ist in [3, 7] zu finden.
Monitoring
Ab dem 01.01.2016 gilt für alle SCR/SNCR-Anlagen unabhängig von der Feuerungswärmeleistung sowohl für Bestands- als auch für Neuanlagen ein Grenzwert von
10 mg/Nm³tr im Tagesmittel und von 15 mg/Nm³tr im Halbstundenmittel für gasförmiges NH3. Ab dem 01.01.2019 gilt für den TMW für Bestandsanlagen mit einer
Feuerungswärmeleistung (FWL) von mehr als 50 MW ein neuer, abgesenkter NOx
Grenzwert von 150 mg/Nm³tr. Bestandsanlagen mit einer Feuerungswärmeleistung von
bis zu 50 MW sind hiervon nicht betroffen, da für sie weiterhin der Tagesmittelwert von
200 mg/Nm³tr gilt. Neu ist ein Jahresmittelwert von 100 mg/Nm³tr für Neuanlagen mit
mehr als 50 MW FWL. Der Halbstundenmittelwert beträgt wie bisher 400 mg/Nm³tr.
Somit stellt sich für viele Betreiber von Bestandsanlagen die Frage, welche Maßnahmen
zu ergreifen sind, um auch in Zukunft einen sicheren Betrieb innerhalb der gesetzlich
vorgegebenen Emissionsgrenzwerte zu erzielen. Ein möglicher Lösungsansatz wird in
diesem Beitrag präsentiert.
1.1. Ertüchtigung von Bestandsanlagen
Bei der Ertüchtigung von Bestandsanlagen ist zwischen Anlagen mit SCR- und mit
SNCR-Technik zu unterscheiden. Beide weisen zumeist eine unterschiedliche Problematik bezüglich der einzuhaltenden Grenzwerte auf.
Bestandsanlagen, die mit einer SCR-Technologie betrieben werden, können bei einer
ausreichenden Dimensionierung der SCR schon zukünftige Emissionsgrenzwerte
einhalten oder halten diese bereits ein. Für Abfallverwertungsanlagen schreibt der Gesetzgeber einen Energieeffizienzkennwert R1 vor [2]. Anlagen, die bis zum 31.12.2008
genehmigt wurden, müssen mindestens einen R1 von 0,6 erzielen. Später genehmigte
Anlagen müssen einen R1 größer als 0,65 aufweisen. Bei Einsatz der SCR-Technologie
in einer Tail-End-Lösung, wie sie im Bereich der Abfallverwertungsanlagen üblich ist,
ist die Wiederaufheizung des Abgases zum Erzielen der notwendigen Reaktionstemperaturen notwendig. Die Wiederaufheizung mindert dabei den für die Anlage zu
erzielenden Effizienzkennwert. Insbesondere bei älteren Bestandsanlagen ist darum der
Entfall der Wiederaufheizung energetisch ein interessanter Aspekt. Die Reduktion der
Betriebskosten, z.B. Korrosionsprobleme bei SCR Wärmetauschern, oder der Umbau
der vorgeschalteten Abgasreinigungstechnik, z.B. von einer nassen auf eine halbtrockene
Entschwefelungsanlage, führen häufig zu einer Anpassung der Entstickungstechnologie
und so zu einem Ersatz von SCR durch SNCR Anlagen [4].
304
Technisches und wirtschaftliches Potenzial der Online-Bilanzierung
Bei Bestandsanlagen mit SNCR nimmt die nachgeschaltete Abgasreinigung, insbesondere die Ausführungsart der Entschwefelung, Einfluss auf die erzielbaren Emissionswerte. Prinzipiell kann zwischen Bestandsanlagen mit integrierter Nasswäsche und solchen
mit halbtrockener, bzw. trockener Abgasreinigung unterschieden werden. Beim Einsatz
einer halbtrockenen- oder trockenen Abgasreinigung ist generell eine Fahrweise mit
geringem NH3-Schlupf erforderlich, um mögliche Geruchsprobleme, hervorgerufen
durch den Gehalt an NH3 im Reststoff bei feuchter Verladung der Reststoffe zu vermeiden und um die gesetzlich vorgeschriebenen NH3-Emissionen einzuhalten. Der
Vorteil der Anlagen mit Nasswäsche ist, dass die niedrigeren NOx-Emissionen bereits
heute erzielbar sind. Dies geht zumeist mit einem erhöhten NH3-Schlupf einher, der
im sauren Wäscher (auch HCl-Wäscher) abgeschieden wird. Die Wäscher sind in der
Regel abwasserfrei zu betreiben, weshalb die Abwässer durch einen Sprühtrockner und
im Anschluss zurück in den Kessel geführt und verdüst werden. Der Anteil, der nicht
durch Adsorption an Asche und Salzen gebunden, oxidiert oder reduziert wird, gelangt
mit dem Abgas erneut in den Wäscher. Zur Vermeidung einer Aufkonzentration des
NH3 im Wäscher werden NH3-Stripper installiert. Deren Installation steht allerdings
im Widerspruch zum Betrieb mit möglichst minimalem Anlagenaufwand, minimalem
NH3-Schlupf und einer Minderung der Betriebskosten. Daher ist in jedem Fall ein
geringer NH3-Überschuss nach der SNCR sicherzustellen.
Oftmals verfügen die installierten Anlagen aber auch nicht über das Potenzial zur
Einhaltung der neuen Emissionsgrenzwerte, da die alten Grenzwerte bei der Auslegung
der Anlage zugrunde lagen. Möglich ist auch, dass zwischenzeitlich durchgeführte
Umbau- und Optimierungsmaßnahmen im Rahmen einer Kapazitätserweiterung des
Kessels zu einer unzureichenden Entstickung bezogen auf die neuen Grenzwerte führen.
Weitere mögliche Gründe sind außerdem jahreszeitliche Schwankungen im Bereich der
Brennstoffzusammensetzung und des Heizwertes, da sich auch das Temperaturprofil
des Kessels sowie das Verhalten der Reisezeit ändern.
Über der Reisezeit kommt es zu einer Verschlackung des Kessels. Diese führt zu einem
Temperaturanstieg im Bereich des ersten Zuges, in dem die SNCR aufgrund des notwendigen Temperaturbereichs installiert ist. Steigt die Temperatur des Abgases wegen der
zunehmenden Verschmutzung über der Reisezeit übermäßig an, sodass das notwendige
Temperaturintervall zur Eindüsung und NOx-Reduktion außerhalb der Eindüsebenen
liegt, kann eine sichere Entstickung auf die vorgeschriebenen Grenzwerte nur noch bei
Teillast sichergestellt werden. Es liegt also eine erzwungene Lastabsenkung aufgrund
der SNCR-Anlage vor. Ausführlichere Erklärungen sind u.a. [3, 4] zu entnehmen.
305
Monitoring
Betreiber von Bestandsanlagen, die mit einer SNCR ausgestattet sind und noch nicht den
zukünftigen Anforderungen genügen, müssen zügig notwendige Konzepte entwickeln
und umsetzen, um auch in Zukunft den Betrieb sicherzustellen. Ziel ist hierbei die
Umsetzung einer zuverlässigen Emissionsminderung bei möglichst geringen Investitions- und Betriebsmittelkosten. Da die Situation eines jeden Betreibers einzigartig ist,
sind entsprechend viele unterschiedliche Ausgangssituationen vorzutreffen, die jeweils
eine besondere Lösung erfordern. Die ERC-Technik verfügt über die Kompetenz und
Erfahrung, entsprechende Vorgehensweisen individuell zu entwickeln und Betreiber
bei der Konzeptfindung, Validierung und Umsetzung der Maßnahmen zu unterstützen.
Philip Reynolds, Claas Günther
Neben den gesetzlichen sind auch wirtschaftliche Kriterien mögliche Gründe, vorhandene SNCR Anlagen zu optimieren. Mit moderner SNCR Anlagentechnik gelingt
es beispielsweise, die Reduktionsmittelkosten, bzw. Kosten des Betriebs von NH3Strippern zu senken. Auch kann die Umstellung des Treibmittels von Dampf auf
Wasser zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit dienen. Statt den Dampf zur Eindüsung
von Reduktionsmittel zu verwenden, kann er zur Stromproduktion oder in einem
externen Verbraucher als Prozessdampf oder zur Fernwärme zur Verfügung gestellt
werden. Durch den Nutzen des Dampfes kann gleichzeitig der Energieeffizienzkennwert verbessert werden.
1.2. Randbedingungen des Designs von SNCR Anlagen
Monitoring
In Bild 1 sind beispielhaft die NOx-Reduktion und der NH3-Schlupf in Abhängigkeit
von der Abgastemperatur für eine definierte Gaszusammensetzung dargestellt. Bis das
Optimum der NOx-Reduktion bei etwa 980 °C erreicht wird, nimmt die NOx-Reduktion
mit steigender Temperatur zu. Mit steigender Temperatur oberhalb des Optimums
nimmt die NOx-Reduktion wieder ab. Der NH3-Schlupf nimmt mit steigender Temperatur ab. Ebenfalls in Bild 1 dargestellt sind der alte, früher übliche und der aktuelle,
heute gültige Auslegungsbereich für SNCR-Anlagen.
NH3-Schlupf
mg/Nm3
NOx-Reduktion
%
100
90
18
80
16
70
14
60
12
50
10
40
8
30
6
20
4
10
2
0
750
Bild 1:
306
20
800
850
950
1.000
900
Reaktionstemperatur °C
1.050
1.100
NOx-Reduktion
NH3-Schlupf
Alter Auslegungsbereich
Neuer Auslegungsbereich
0
1.150
Darstellung der NOx-Reduktion und des NH3-Schlupfs in Abhängigkeit von der
Temperatur sowie die Darstellung früher üblicher und heute gültiger Auslegungsbereiche für SNCR
Technisches und wirtschaftliches Potenzial der Online-Bilanzierung
Abhängig von dem jeweiligen nach der Feuerung im Rohgas vorliegenden NOx-Wert,
der nicht direkt messbar ist, und den vorgeschriebenen NOx-Emissionswerten, muss
eine bestimmte NOx-Reduktion erzielt werden. Ausgehend von einem NOx-Rohgaswert
von 400 mg/Nm³tr muss zum Einhalten des früheren Grenzwertes eine NOx-Reduktion
von 50 Prozent erzielt werden. Da kein Grenzwert für den NH3-Schlupf vorlag, bestand
die Möglichkeit in einem Temperaturbereich von etwa 850 °C bis 1.095 °C einzudüsen.
Die Einführung verschärfter NOx-Emissionsgrenzwerte erfordert eine Verbesserung der
NOx-Reduktion. Diese muss zum Einhalten eines Emissionsgrenzwertes von 150 mg/
Nm³tr 62,5 Prozent statt 50 Prozent betragen. Um dies zu erzielen, muss sowohl die
untere Temperatur angehoben, als auch die obere Temperatur gesenkt werden. Es resultiert ein Temperaturbereich von 870 °C bis 1.075 °C. Eine weitere Einschränkung
bei der Projektierung von SNCR-Anlagen liegt durch den neu eingeführten Grenzwert
für den NH3-Schupf vor. Zum Einhalten des neuen Grenzwertes muss die Mindesttemperatur am Ort der Reaktion etwa 930 °C betragen. Hieraus resultiert eine weitere
Einschränkung des möglichen Temperaturintervalls, das damit zwischen 930 °C und
1.075 °C liegt.
Bei Bestandsanlagen, die auf den alten höheren Grenzwert ausgelegt wurden und somit
eine geringere NOx-Reduktion erzielen mussten, dienten somit größere Temperaturbereiche als Auslegungsbasis, siehe hierzu Bild 1. Die Auswirkungen der Verkleinerung
des Temperaturbereichs beeinflusst die gesamte SNCR und somit auch den Kessel.
Durch diese Verkleinerung ergeben sich über der Last und der Reisezeit des Kessels viele
notwendige Eindüsstellen über der Höhe, siehe auch [3, 4]. Dies hat zur Folge, dass die
Abstände der Ebenen verkleinert werden müssen und je nach Kesselgeometrie mehr
Rücksicht auf auftretende Abgasschieflagen genommen werden muss als bisher. Die
notwendige Berücksichtigung des Temperaturprofils im Kessel, dessen Beeinflussung
durch Lastschwankungen und die Brennstoffzusammensetzung – insbesondere den
Heizwert des Abfalls – führen zu neuen Regelungskonzepten im Bereich der SNCR
sowie zu einem erhöhten anlagentechnischen Aufwand.
Zusätzlich verursacht eine hohe Schwankungsbreite des NOx Rohgasgehaltes eine
erhöhte Emission an NH3 und NOx. Dies ist dem Umstand geschuldet, dass der
Regelungsmechanismus einer konventionellen SNCR auf dem Vergleich Ist/Soll
des Reingas-NOx-Gehaltes beruht. Es wird nach dem Ergebnis des Verfahrens geregelt. Änderungen im Rohgas-NOx werden erst in Abweichungen vom Ergebnis
erkannt. So kann bei Anwendungen mit wenig verfahrenstechnischem Spielraum eine
häufige Änderung der Rohgas-NOx Konzentration zur Überschreitung der Grenzwerte
führen.
307
Monitoring
Grundlage für die Entstickung ist die Eindüsung eines Reduktionsmittels, zumeist
NH3-Wasser oder eine Harnstofflösung, bei möglichst guter Verteilung über den
Kesselquerschnitt innerhalb eines bestimmten Temperaturintervalls und einer ausreichenden Verweilzeit des Reduktionsmittels im Abgas. Sind diese Punkte erfüllt, kann
das Reduktionsmittel abreagieren und eine optimale NOx-Reduktion bei minimalem
NH3-Schlupf erzielen.
Philip Reynolds, Claas Günther
Die neuen Grenzwerte machen eine neue Herangehensweise notwendig. Der aufgezeigte Konflikt zwischen bei großer Last gegen Ende der Reisezeit auftretenden hohen
Temperaturen und Forderung nach der Einhaltung der Reaktionstemperatur sowie die
Notwendigkeit zeitnaher mit der Reaktionsmittelmenge dem aktuellen NOx zu folgen,
bedingen tiefergehende Betrachtung des SNCR-Prozesses. Entsprechende konventionelle Beispiele wurden in [6] vorgestellt.
Monitoring
2. Potenziale der Online-Bilanzierung
Bei Verfügbarkeit der notwendigen Messwerte besteht die Möglichkeit der Bilanzierung der Messdaten und relevanter Prozessparameter während des Betriebs. Mithilfe
der Messwerte können über die Bildung von Massen- und Energiebilanzen sowie
unter Berücksichtigung globaler Ansätze der Verbrennungsrechnung, eine eventuelle
Kenntnis der Zusammensetzung der Brennstofffraktionen und kraftwerksspezifischer Randbedingungen unterschiedliche Prozessparameter bestimmt werden. Diese
bieten wiederum das Potenzial, den momentanen Zustand der Anlage zu bewerten.
Ein Beispiel für die Bestimmung von nicht direkt zugänglichen Größen ist neben
dem Brennstoffmassenstrom auch die Bestimmung des Heizwertes. Eine Möglichkeit
diese Größen für den Betreiber und die Anlagenfahrer zugänglich zu machen, bietet
das System Opti-Link. Das System ist das Ergebnis einer Kooperation der ERC und
der TU Dresden. Neben der Bereitstellung u. a. obiger Werte werden zusätzlich die
aus der Online-Bilanzierung gewonnenen Ergebnisse genutzt, um den Betrieb der
SNCR zu optimieren und zu regeln. Im Folgenden werden das Verfahren, auf dem
Opti-Link basiert und weitere beispielhafte Vorteile bei der Verwendung einer OnlineBilanzierung dargestellt.
2.1. Regelung der SNCR mit Hilfe des online berechneten Rohgas-NOx
Opti-Link ist ein System, das zur Verbesserung der SNCR-Regelung entwickelt wurde
und auf dem Prinzip der Online-Bilanzierung basiert. Mit Hilfe der Messwerte und
gegebener Anlagenparameter erfolgen eine Echtzeit-Analyse des Anlagenbetriebszustandes und eine Festlegung der Massen- und Energiebilanzen für den momentanen
Betriebspunkt. Die Gesamtanlage wird dabei in Teilprozesse aufgeteilt. Diese sind die
Abgasseite (inklusive Abgasaufbereitung), der Kessel (inklusive Brennstoffzufuhr),
die Luftseite mit einer Approximation des Verbrennungsprozesses sowie die Wasser-/
Dampfseite der Anlage. In Bild 2 ist ein grobes Schema einer Abfallverwertungsanlage
dargestellt. Neben den wesentlichen Prozessabschnitten, Kessel, Abgasaufbereitung und
Kamin sind die Messwerterfassung sowie wesentliche Eingangs- und Ausgangsströme
dargestellt. Zusätzlich ist ebenfalls die Totzeit (∆t) zwischen der Messwerterfassung
und der SNCR wiedergegeben. Diese repräsentiert auch das grundlegende Problem der
Regelung einer verbrauchs- und betriebsoptimierten SNCR und ist einer der Gründe
für die Entwicklung von Opti-Link.
308
Technisches und wirtschaftliches Potenzial der Online-Bilanzierung
ng
Abgasreinigu
Schema einer Abfallverwertungsanlage mit den wesentlichen Prozessabschnitten und
Stoffströmen sowie der Angabe der Totzeit (∆t) zwischen Messwerterfassung und SNCR
Wie zuvor beschrieben steht der NOx-Rohgaswert nicht zur Verfügung, da bisher keine
Messtechnik eine NOx-Messung mit ausreichender Genauigkeit bei den Bedingungen
im Feuerraum ermöglicht. Dieser Wert wäre für eine verbrauchsoptimierte Regelung
der SNCR notwendig. Aufgrund der Nichtverfügbarkeit dieses Wertes müssen SNCRAnlagen auf Basis der in der Messwerterfassung ermittelten Reingaswerte geregelt
werden. Durch die Messwerterfassung im Reingas – am Ende des Prozesses – liegt
eine deutliche Totzeit zwischen der aktuellen Situation im Kessel und der Werterfassung im Reingas vor. Schnelle feuerungsseitige Veränderungen können nicht richtig
erfasst werden. Aus diesem Grund ist eine verbrauchsoptimierte Gestaltung der SNCR
schwierig und es treten immer wieder abgasseitige Peaks mit hohen NOx-Werten oder
hohen NH3-Schlupfwerten auf. Ziel ist es mit Hilfe von Opti-Link diese Größen für
den Betreiber der Anlage oder die Regelung zugänglich zu machen.
Bild 3:
Zu verbrennender Abfall
309
Monitoring
Bild 2:
Philip Reynolds, Claas Günther
Mit Hilfe einer rückwärtsgerichteten Verbrennungsrechnung aus zeitnah vorliegenden Daten, wie z.B. Energieauskopplung und Abgaszusammensetzung, ist die nicht
permanent messbare Zusammensetzung des Brennstoffs anzunähern. Mit Kenntnis
der Brennstoffstickstoffkonzentration der einzelnen Fraktionen aus umfangreichen
Untersuchungen und des Wissens um die spezifischen Umsatzraten zu NOx, lässt sich
der Rohgas NOx-Gehalt mit ausreichender Genauigkeit – unter Berücksichtigung von
anlagenspezifischen Eigenheiten – annähern. Dieses Verfahren ist neu und bildet zu
dem bekannten Nutzen des Monitorings, einen konkreten zusätzlichen Nutzen.
Monitoring
Bei Kenntnis des NOx-Rohgaswertes wird eine neue Regelungsphilosophie für die
SNCR möglich, die nicht nur einen Geschwindigkeitsvorsprung gegenüber der bisher
eingesetzten Regelung aufweist, sondern auch einen Genauigkeitsvorsprung mit sich
bringt und eine optimierte Eindüsung im Bereich der SNCR ermöglicht (Bild 4).
Bild 4:
SNCR-Eindüsung (prinzipielle Darstellung)
In Bild 5 ist das Opti-Link Verfahren zur Stickoxidreduktion dargestellt. Der Kernpunkt
des Systems liegt insbesondere auf der SNCR und deren optimierter und bedarfsgerechter Regelung, ist aber auch innerhalb des Gesamtprozesses wieder zu finden. Wie dem
Bild zu entnehmen ist, werden die Messwerte aus dem Prozessleitsystem zunächst an
Opti-Link übermittelt. Dieses bestimmt anhand der eingehenden Werte die Stellgrößen
für die SNCR. Die ermittelten Werte werden wiederum mit dem Prozessleitsystem ausgetauscht. Wesentlicher Punkt innerhalb Opti-Links ist dabei die Plausibilitätsprüfung,
die zur Ermittlung der korrekten Betriebszustände beiträgt und eine optimierte, ganzheitliche Regelung mit ermöglicht. Das mit Opti-Link umgesetzte Regelungskonzept
entspricht dabei dem einer vorwärts gerichteten Steuerung mit ergebnisorientierter
Nachregelung, die weiterhin über die bestehende NOx-Reingasmessung erfolgt.
310
Wärmestrommessung an Membranwänden
von Dampferzeugern
Autor:
Sascha Krüger
ISBN:
978-3-935317-41-2
Verlag:
TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky
Erscheinung:
2009
Gebund. Ausgabe: 117 Seiten
Preis:
30.00 EUR
Die Wärmestromdichte ist der auf eine Fläche bezogene Wärmestrom. Die Ermittlung dieser Größe
stellt für Strahlungswärmeübergangsflächen von Dampferzeugern, die üblicherweise aus Membranwänden aufgebaut sind, eine wichtige Information mit Bezug auf die Wärmeverteilung, d. h.
die lokale Wärmeabgabe in der Brennkammer, dar. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, anhand
der Wärmestromdichte
• die Feuerlage auf dem Rost oder in der Brennkammer,
• Schieflagen der Gasströmung in den Strahlungszügen,
• den lokalen Belegungszustand (Verschmutzungszustand) oder
• den Zustand des Wandaufbaus (Ablösen von Feuerfestmaterial)
zu bewerten.
Die Entwicklung und Anwendung von Wärmestromdichtemessungen an Membranwänden war
bereits Gegenstand vielfacher Forschung in den letzten Jahren. Zumeist wurden Messzellen
entwickelt, zu deren Installation Umbauten am Siederohr, d. h. am Druck tragenden Teil des
Wasser-Dampf-Kreislaufes notwendig sind.
In der vorliegenden Arbeit wird eine nicht-invasive Methode zur Bestimmung der Wärmestromdichte an Membranwänden mit und ohne Zustellung sowie deren Anwendung im technikumsund großtechnischen Maßstab beschrieben.
Bestellungen unter www.
.de
oder
TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky
Dorfstraße 51
D-16816 Nietwerder-Neuruppin
Tel. +49.3391-45.45-0 • Fax +49.3391-45.45-10
E-Mail: [email protected]
Technikumsanlage
Technikumsanlage
Philip Reynolds, Claas Günther
Prozessleitsystem
Gesamter Prozess
Luftzufuhr
Messwerte
Brennstoffzufuhr
Thermisches Hauptverfahren
NOx-Reingas-Wert
Wasser-/Dampfkreislauf
als Kontrollwert
Abgasnachbehandlung
Speisewasser
SNCR
Emissionsmessung
Massen- und Energiebilanzen
OPC/Datenübertragungstool
ammlung
Datens
Online-Bilanzierung
Plausibilitäts-Prüfung
Kontrollwert
Stickstoffgehalt Brennstoff
Stellgröße
NOx-Calc
Steuern/Regeln
Monitoring
Bild 5:
Umsetzungsrate
Erweitertes Regelungsverfahren mit Einbindung NOx-Rohgaskonzentrationsberechnung
Entstickungsergebnis
Kessel mit SNCR ohne Opti-Link
Wie bereits erwähnt, stellt die Unzugänglichkeit
des NOx-Rohgaswertes
ein Problem
NO
NH -Schlupf mg/Nm
mg/Nm (NO -Sollwert:
mg/Nm ) diesen Wert
Menge carbamin
l/h
bei der Regelung der SNCR dar. Opti-Link verfolgt
den 140
Ansatz,
rechne140
450
risch zu ermitteln und bietet bei entsprechender
Anpassung
der
Regelung
dadurch
ein
400
120
hohes technisches Potenzial, die Eindüsung auf
die
vorliegenden
Betriebsbedingungen
350
100
300
abzustimmen. Eine optimierte Verbrauchsmenge
an Reduktionsmittel führt dabei zu
80
250
einem wirtschaftlichen Vorteil.
x
3
3
3
3
x
200
60
150
In Bild 6 sind vergleichend zwei Aufzeichnungen
aus dem Anlagenbetrieb einmal ohne
40
(links) und einmal bei Einsatz von Opti-Link100(rechts) dargestellt. Wiedergegeben20sind
50
jeweils der NOx-Reingaswert, der NH3-Schlupf
und der Verbrauch an Harnstoff
in
0
0
00:00
02:24
04:48
07:12
09:36
12:00
14:24
Datensätzen, die alle zehn Sekunden ermittelt
wurden.
Zeit h
Menge carbamin
NOx
NH3-Schlupf
Entstickungsergebnis Kessel mit SNCR ohne Opti-Link
NOx
NH3-Schlupf mg/Nm3
3
3
mg/Nm (NOx-Sollwert: 140 mg/Nm )
Menge carbamin l/h
140
450
Entstickungsergebnis Kessel mit SNCR mit Opti-Link
NOx
NH3-Schlupf mg/Nm3
3
3
mg/Nm (NOx-Sollwert: 190 mg/Nm )
Menge carbamin l/h
140
450
400
400
120
350
100
300
120
350
100
300
250
80
250
80
200
60
200
60
40
150
150
100
20
50
0
00:00
02:24
NOx
04:48
07:12
09:36
Zeit h
Menge carbamin
12:00
0
14:24
NH3-Schlupf
40
100
20
50
0
00:00
02:24
NO
Entstickungsergebnis Kessel mit SNCR mit Opti-Link
04:48
x
07:12
09:36
Zeit h
Menge carbamin
12:00
0
14:24
NH3-Schlupf
mg/Nm3
NH3-Schlupf
x
BildNO
6:
Gegenüberstellung
zweier
Betriebspunkte
ohne Einsatz (links) und bei Einsatz von
3
3
mg/Nm (NOx-Sollwert: 190 mg/Nm )
Menge carbamin l/h
Opti-Link
(rechts)
140
450
400
312350
300
120
100
80
Technisches und wirtschaftliches Potenzial der Online-Bilanzierung
Der vergleichenden Abbildung ist zu entnehmen, dass sowohl der NOx-Reingaswert,
als auch der NH3-Schlupf und der Verbrauch an Harnstoff beim Einsatz von Opti-Link
geringer ausfallen. Der Vorteil einer Online-Bilanzierung wird somit direkt aus obigen
Werten evident. Die Vorteile der Ermittlung des momentanen Gesamtbrennstoffstickstoffgehaltes des Abfalls innerhalb Opti-Links mit der Applikation NOx-Calc und die
entsprechende Regelung der SNCR anhand des ermittelten NOx-Rohgaswertes werden
ersichtlich.
Durch die Bilanzierung der Energie- und Stoffströme können unplausible Messwerte
als solches erkannt werden. Zu häufig kann beim Einsatz eines Bilanzierungstools
in der Praxis erkannt werden, dass Messgeräte falsche Werte angegeben oder diese
falsch interpretiert werden. Beispielsweise würde ein Messwert für den O2-Gehalt im
Abgas, welcher als trockengerechnet interpretiert wird, dieses aber nicht ist, sofort als
nasser Messwert identifiziert. Diese Plausibilitätsprüfung stellt einen sofortigen und
nützlichen Nebeneffekt dar. Dieser Effekt kann auch online genutzt werden. Manche
Messgeräte weisen eine Drift auf. Mit zunehmender Zeit nach der Kalibrierung steigt
der systematische Fehler, was eine erneute Kalibrierung erforderlich macht. Der Zeitpunkt einer Neukalibrierung ohne geeignete Instrumentalisierung ist aber nicht einfach
feststellbar. Das Opti-Link Verfahren ermöglicht durch online Kontrolle die Feststellung
jener Messwertdrift und somit den Zeitpunkt einer notwendigen Neukalibrierung.
2.3. Bestimmung des Brennstoffmassenstromes und des Heizwertes
Eine Massen- und Energiebilanz des Kessels über die Abgas- und die Wasser-/Dampfseite ermöglicht die Bilanzierung der sonst unzugänglichen Größen Brennstoffmassenstrom und Heizwert des aufgegebenen Abfalls. Voraussetzung hierzu ist, dass der Kessel
sich in einem quasi-stationären Zustand befindet und die notwendige Messtechnik
installiert ist. Sowohl die Brennstoffmasse auf dem Rost, als auch der Heizwert werden
im Betrieb meist nicht online bestimmt. Es erfolgt üblicherweise zwar das Wiegen des
Brennstoffs über die Kranwaage bei der Aufgabe des Brennstoffs in den Tagesbunker,
nach der Aufgabe des Brennstoffs durch den Stößel in den Feuerraum ist die auf dem
Rost befindlichen Masse aber nicht mehr direkt bestimmbar. Damit ist auch der aktuell
verbrennende Brennstoffmassenstrom unbekannt. Aufgrund der Unzugänglichkeit
dieser Größe erfolgt im Betrieb die Regelung der Luftmenge über den Restsauerstoffwert im Abgas und somit über die zufahrende Luftzahl. Neben den jahreszeitlichen
Schwankungen des Abfalls bezüglich der Feuchte, setzt sich dieser auch unterjährig
und lokal aus unterschiedlichen Fraktionen zusammen. Diese Größen könnten – auf
Betriebserfahrung beruhend – in der Betriebsplanung zumindest grob berücksichtigt
werden. Doch nicht nur unterjährig kommt es zu Unterschieden. Bereits zwei direkt
hintereinander erfolgte Brennstoffaufgaben können sich stark in der Zusammensetzung
unterscheiden. Ein erhöhter Heizwert führt dabei zu einer Erhöhung der adiabaten
Flammentemperatur und damit verbunden zu einem veränderten Flammenbild auf
dem Rost. Es kommt zu einer Verschiebung des Feuers auf dem Rost und so zu einer
313
Monitoring
2.2. Plausibilitätsprüfung und Messwertdrift
Philip Reynolds, Claas Günther
Verschiebung des Temperaturprofils im Kessel. Diese Umstände beeinflussen die
Nachverbrennung und damit auch die Performance einer SNCR. Weiterhin ergeben
sich Auswirkungen auf die Rohgaswerte von NOx und CO.
Um nun primärseitig bereits eine möglichst minimale Schadstoffgeneration zu erzielen und um z.B. eine minimale Verschlackung des Kessels aufgrund der vorliegenden
Temperaturen oder einer optimierten Luftfahrweise zum minimalen Feinstaubaustrag
umzusetzen, kann die Luftvertrimmung durch den Anlagenfahrer angepasst werden.
Dies ist nur ein exemplarischer Vorteil der Kenntnis des Brennstoffmassenstromes
und des Heizwertes. Die gewonnenen Kenntnisse können ebenfalls bei dem Einsatz
verschiedener Brennstoffe, z.B. der zusätzlichen Aufgabe von Klärschlamm von größerem Interesse sein. Weitere Beispiele sind u.a [5] zu entnehmen.
2.4. Fehlerhafte Messung des Bezugssauerstoffs
Monitoring
Wie bereits erwähnt, erfolgt die Regelung der Verbrennungsluftmenge im regulären
Betrieb über den gemessenen Restsauerstoffgehalt im Abgas. Tritt ein Fehler bei der
Bestimmung des Restsauerstoffgehalts aufgrund einer Drift eines Messgerätes auf,
kann zwischen zwei Fällen unterschieden werden. Das Gerät gibt entweder einen zu
niedrigen Messwert oder zu hohen Wert wieder.
Im ersten Fall ist sichergestellt, dass ausreichend Verbrennungsluft vorliegt. Durch
die Anzeige eines kleineren Wertes als den tatsächlichen, wird die Verbrennungsluftmenge angehoben. Dies hat im Wesentlichen zwei Folgen. Zum einen wird die
Abgasgeschwindigkeit im Kessel erhöht, zum anderen kommt es durch die Erhöhung
der Verbrennungsluftmenge zu einer leichten Absenkung der adiabaten Flammentemperatur. Beides stellt, bezogen auf die Emissionen, den Ausbrand und das Anlagenrisiko
meistens keine Einschränkung des Betriebs dar. Bezogen auf die Emissionen bewirkt
die Erhöhung der Verbrennungsluftmenge einen erhöhten Sauerstoffgehalt im Abgas
und so eine Verdünnung der vorliegenden Emissionen. Die erhöhten Strömungsgeschwindigkeiten können dabei zu einem erhöhten Staubaustrag führen.
Im zweiten, aus Betreibersicht schlimmeren Fall, wird – obwohl zu wenig Luft vorliegt – die Verbrennungsluftmenge aufgrund des falschen Eingangssignals reduziert.
Durch eine Reduzierung der Verbrennungsluftmenge kommt es nicht nur zu einem
schlechteren Ausbrand des Brennstoffs und so zu einer Erhöhung der Abfallströme
(Restkohlenstoff in den Aschen), sondern die Emissionen, sowohl von CO, als auch
von NOx steigen an. Dies liegt zum einen an der geringeren Verdünnung durch den
geringeren Restsauerstoffgehalt im Abgas, zum anderen an den schlechteren Verbrennungsverhältnissen, da die vorliegenden Luftzahlen im jeweiligen Rostabschnitt nicht
mehr mit den vorliegenden Brennstoffmassen korrelieren.
Mit Hilfe einer Online-Bilanzierung können solche Fehler im Betrieb durch die Plausibilitätsprüfung aufgezeigt werden. Nach einer Benachrichtigung des Anlagenfahrers
über den Vorfall kann dieser angemessen reagieren und z.B. ein mögliches Überschreiten von Emissionsgrenzwerten durch eine Erhöhung der Verbrennungsluftmenge
vermeiden.
314
Technisches und wirtschaftliches Potenzial der Online-Bilanzierung
2.5. Wirtschaftliches Potenzial
Die in den Abschnitten 2.1. bis 3 dargestellten Vorteile einer Online-Bilanzierung sind
nur Beispiele für die Vorteile dieser Applikation. Anhand der erwähnten Beispiele wurde
gezeigt, dass mit Hilfe einer Online-Bilanzierung ein optimierter Anlagenbetrieb möglich ist. Je nachdem welchen Umfang die Online-Bilanzierung mit sich bringt, können
verschiedene Größen zur Optimierung herangezogen und dem Anlagenbetreiber zur
Verfügung gestellt werden. Hinter allen erwähnten technischen Potenzialen ist dabei
auch immer ein wirtschaftliches Potenzial zu erkennen.
Insbesondere anhand des in 2.1. dargestellten Beispiels einer ideal abgestimmten SNCR
wird deutlich, welch großes Potenzial dem Einsatz einer Online-Bilanzierung zugeschrieben werden kann. So wird nicht nur weniger Reduktionsmittel beim Einsatz von
Opti-Link benötigt, es werden zusätzlich niedrigere Emissionswerte erreicht. Zusätzlich
senkt die Einsparung an Reduktionsmittel direkt die Betriebskosten.
3. Ausblick und Zusammenfassung
Eine Möglichkeit dem Anlagenbetreiber Größen, die anhand von Messwerten nicht
direkt bestimmbar sind, zugänglich zu machen, bietet Opti-Link. Auf Basis von Massen- und Energiebilanzen sowie unter Zuhilfenahme anlagen- und feuerungsspezifischer Parameter besteht die Möglichkeit den aktuellen Brennstoffmassenstrom, die
errechnete Abfallzusammensetzung, den Heizwert und weitere Größen wie z.B. den
Kesselwirkungsgrad online zu bestimmen. Dabei ist festzuhalten, dass anlagenspezifisch
durchaus weitere technische Potenziale beim Einsatz von Opti-Link aufgetan werden
können. Das Gesamtbild des Potenzials erschließt sich erst nach einer Beurteilung der
jeweiligen Anlage.
Durch Opti-Link wird dem Anlagenfahrer ein betriebsunterstützendes Werkzeug
zur Verfügung gestellt, das es ihm ermöglicht, den Anlagenbetrieb unter optimierten
Bedingungen zu gewährleisten – exemplarisch: Die optimierte Luftvertrimmung bei
bekanntem Heizwert. Damit ist das Potenzial der Online-Bilanzierung aber noch nicht
erschöpft. Durch die bei Opti-Link integrierte Plausibilitätsprüfung können im Betrieb
auftretende Messfehler, wie in 2.2. beschrieben, aufgetan werden. Eine entsprechende
Reaktion der Betriebsmannschaft vorausgesetzt, verhindert die integrierte Plausibilitätsprüfung resultierende Probleme aus Messfehlern. Die Kontrolle der Messwertdrift
unterstützt den optimierten Anlagenbetrieb.
315
Monitoring
Bereits eine Anpassung der Luftfahrweise an den Heizwert und an die vorliegenden
Betriebsbedingungen ermöglicht es, die Rohgasemissionswerte über primärseitige Maßnahmen zu beeinflussen und zu minimieren. Diese Minderung der Rohgasemissionen
ermöglicht es wiederum, den Bedarf an Reduktionsmittel bei installierter SNCR oder
SCR zu reduzieren und so die Betriebskosten (Reduktionsmittelverbrauch) zu senken.
Weiterhin kann durch eine angepasste Fahrweise die Korrosion, bzw. Verschlackung
des Kessels vermindert werden.
Philip Reynolds, Claas Günther
Aufgrund der künftigen verschärften Grenzwerte für NH3 und NOx besteht bei vielen
Bestandsanlagen die Notwendigkeit der Ertüchtigung der SNCR. Neben den technischen Ansprüchen zur besseren Reduktion der NOx, spielt auch der wirtschaftliche
Aspekt einer hohen Anlagenverfügbarkeit bei einem geringen Reduktionsmittelverbrauch mit ein. Diese beiden Punkte können neben den weiteren Vorteilen einer
Online-Bilanzierung durch das neue, ganzheitliche Prinzip von Opti-Link und der
durch Opti-Link ermöglichten Regelung erzielt werden. Das Nutzen von Opti-Link
bietet somit ein erhebliches technisches und wirtschaftliches Potenzial.
Danksagung
Wir bedanken uns bei der AiF Projekt GmbH für die Unterstützung unserer Forschungsarbeit bei der Entwicklung von Opti-Link. Ebenso bedanken wir uns bei der
Technischen Universität Dresden für die konstruktive Zusammenarbeit.
4. Quellen
Monitoring
[1] Beckmann, M.; Pohl, M.; Spiegel, W; Widder, T.: Wirtschaftliche Potentiale des Online-AnlagenMonitorings. In: Thomé-Kozmiensky, K.J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 12.
Neuruppin: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2015
[2] Das Europäische Parlament und der Rat der Europäischen Union, Richtlinie 2008/98/EG des
europäischen Parlaments und des Rates vom 19. November 2008, 2008
[3] Hukriede, J.; Pachaly, R.; Reynolds, P.: Neue 17. BImschV – Auswirkungen auf bestehende Abfallverbrennungsanlagen mit SNCR-Technik sowie Lösungskonzepte. In: Thomé-Kozmiensky,
K.J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 11. Neuruppin: TK Verlag Karl ThoméKozmiensky, 2014, S. 559-574
[4] Hukriede, J.; Reynolds, P.; Schüttenhelm, W.: Einhaltung verschärfter NOx- und NH3-Grenzwerte bei bestehenden Anlagen – Vorgehen und Lösungsansätze anhand von Praxisbeispielen.
In: Thomé-Kozmiensky, K.J.; Beckmann, M. (Hrsg.): Energie aus Abfall, Band 12. Neuruppin:
TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2015
[5] Pohl, M.: Vom Brennstoff zum Rauchgas über Combustion 4.0, In: Kraftwerkstechnik 2015,
Freiberg, Saxonia, 2015, S. 367-375
[6] Schüttenhelm, W.; Reynolds, P.: SNCR for Low NOx Emissions – Case Study of a Swedish Wasteto-Energy Plant, In: Thomé-Kozmiensky, K.J.; Thiel, S. (Hrsg.): Waste managment, Neuruppin:
TK Verlag Karl Thomé Kozmiensky, 2015, S. 221-236
[7] Siebzehnte Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes, Berlin:
BMJV, 02.05.2013
316

Download Report