Orientierende Formaldehyd Messungen an Gasturbinenanlagen < 70% FWL

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1 Orientierende Formaldehyd Messungen an Gasturbinenanlagen < 70% FWL Chalid Tawfik

2 2 Inhalt Allgemeines Vorgehensweise zu den Messungen Beispiel 1: 13. BImSchV GT Solo, Anfahren bis Volllast Beispiel 2: 13. BImSchV GT Solo <70% bis Volllast Beispiel 3: 13. BImSchV GT Kombibetrieb bei GT <70% bis Volllast

3 3 Inhalt 6 Beispiel 4: TA Luft <70% bis Volllast 7 Verwaltungsvorschrift, Referentenentwurf, Vollzugsempfehlung und 44. BImSchV 8 Fazit

4 Allgemeines Chemismus Formaldehyd einfachstes Aldehyd, gasförmig, Siedepunkt -19 C, leicht löslich in Wasser Vorkommen: natürlich als Stoffwechselprodukt (Gärung) sowie bei Schwelvorgängen in der Technik: als reaktiver Einsatzstoff (Phenolharze, Synthesen,..) als Stabilisator (z.b. Textilhilfsstoffe) bei technischen Verbrennungsvorgängen (Motoren, Turbinen,..) bei Röst- und Trocknungsvorgängen (Kaffee, Malz, Grünfutter) bei Schwelprozessen (Gießereien) 4

5 Allgemeines: Messtechnik diskontinuierlich: Absaugung auf 0,01 n H 2 SO 4 und anschließende Derivatisierung mit 2,4 Di-Nitrophenyl-Hydrazin Analyse im Labor mittels HPLC Kontinuierlich: mittels FTIR-Spektroskopie nach VDI 3862 Blatt 8 Vorteil: Auswertung vor Ort möglich! (Fourier-Transformation-Infrarot) derzeit ca Proben je Jahr aus NL Nürnberg 5

6 Allgemeines: Einstufung bisher Stoff Klasse 1 der Ziffer TA Luft 2002 seit von der europäischen Chemikalienagentur (ECHA) mit Verordnung 605/2014 als wahrscheinlich beim Menschen karzinogen in Gefahrenkategorie Carc. 1B mit Gefahrenhinweis H350: kann Krebs erzeugen eingestuft Vollzugsempfehlung Formaldehyd (HCHO) des LAI vom Grenzwert allgemein 5 mg/m³ 12,5 g/h jedoch für diverse Anlagen Sonderregelungen 6

7 Allgemeines: Festlegungen aus der Vollzugsempfehlung Formaldehyd Für Gasturbinen Anlagen wird momentan der allgemeine Grenzwert von 5 mg/m³ oder 12 g/h vollzogen Bei Lasten <70% legt die Behörde die Grenzwerte im Einzelfall fest Grenzwert < 70% FWL? Grenzwert > 70% FWL 5 mg/m³? TÜV Süd Industrie Service GmbH wurde auf Grund ihrer eingehenden praktischen Erfahrungen mit kontinuierlicher und diskontinuierlicher Formaldehydmessungen von verschiedenen Überwachungsbehörden angefragt die Formaldehydkonzentrationen <70% und >70% an Gasturbinenanlagen orientierend zu ermitteln. 7

8 Vorgehensweise Versuche im GT Solo und Kombibetrieb mit verschiedenen Lasten des Zusatzfeuers (ZF) GT Kombi Laststeigerung GT Kombi Lastsenkung GT Kombi Teillast ZF GT Kombi Mittellast ZF GT Kombi Vollast ZF GT Solo Lastsenkung 8

9 Vorgehensweise HCHO Messungen im Zuge der turnusmäßigen Emissionsmessungen Bestimmung der Formaldehydkonzentration mittels zwei verschiedener Verfahren: FTIR zur orientierenden Ermittlung i. der höchsten Emission bei verschiedenen Laststufen ii.zur Beurteilung der Repräsentativität der Konzentration im Messquerschnitt (Netzmessung) Diskontinuierlich: An repräsentativem Punkt und bei Laststufe mit höchster Emission Anfahrbetrieb Verschiedene Laststufen <70% Verschiedene Laststufen 100%- 70% 9

10 Beispiel 1: GT Solo bei verschiedenen Lasten (13. BImSchV) Anfahrbetrieb Kleinlast Teillast < 70% Volllast 100% Es wurden 2 Halbstunden Mittelwerte bei Anfahrbetrieb ermittelt Es wurde ein Stunden Mittelwert bei Kleinlast ermittelt Es wurde ein Stunden Mittelwert bei Teillast ermittelt Es wurde ein Stunden Mittelwert bei Volllast ermittelt 1. 8 mg/m³ HCHO 19,6 Vol.- % O2 CO > 300 mg/m³ NOx ca. 90 mg/m³ 1. 0,1 mg/m³ HCHO 15,8 Vol.-% O2 CO < 1 mg/m³ NOx 18 mg/m³ 1. 0,1 mg/m³ HCHO 15,6 Vol.-% O2 CO < 1 mg/m³ NOx 16 mg/m³ 1. 0,1 mg/m³ HCHO 15,1 Vol.-% O2 CO < 1 mg/m³ NOx 23 mg/m³ 2. 2 mg/m³ HCHO 16,0 Vol.- % O2 CO > 300 mg/m³ NOx 130 mg/m³ 10

11 m3/h Gasm AHK m3/h Gasm GT Beispiel 2: GT Solo bei verschiedenen Lasten (13. BImSchV) :00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:00 19: :00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:00 19:12 11

12 Beispiel 2: GT Solo bei verschiedenen Lasten (13. BImSchV) Prüfung der Repräsentativität der HCHO Konzentration im Messquerschnitt Parameter Messachsen Messpunkte je Achse O 2, CO, NOx 4 5 Blick in Strömungsrichtung Eintauchtiefe [m]: 0,30 0,90 1,50 2,10 2,70 Achse Achse Achse Achse Netzmessung mit: Achse MP i ET Dauer Messwerte Verhältnis Netz- Mittelwert messung Netzmessung c grid c ref r i = c grid / c ref m min mg/m³ mg/m³ % 1 1 0,30 2 1,4 1, ,90 2 1,7 1, ,50 2 1,6 1, ,10 2 1,5 1, ,70 2 1,6 1, ,30 2 1,4 1, ,90 2 1,7 1, ,50 2 1,4 1, ,10 2 1,5 1, ,70 2 1,5 1, ,30 2 1,4 1, ,90 2 1,8 1, ,50 2 1,7 1, ,10 2 1,8 1, ,70 2 1,5 1, ,30 2 1,6 1, ,90 2 1,4 1, ,50 2 1,6 1, ,10 2 1,5 1, ,70 2 1,7 1,6 111 Mittelwert: 1,6 1,6 99,9 12

13 Beispiel 2: GT Solo bei verschiedenen Lasten (13. BImSchV) GT Leistung HCHO O2 GT CO GT NO2 GT VL NO2 GT TL MW el mg/m3in. Vol% mg/m3in. mg/m3in. mg/m3in. Laststufe ,9 14,3 0,3 26,1 Außer Betr. Laststufe ,2 14,3 0,4 28,8 Außer Betr. Laststufe ,5 14,2 0,6 32,9 Außer Betr. Laststufe ,3 14,1 0,9 40,0 Außer Betr. Laststufe ,6 14,1 1,0 40,5 54,6 Laststufe ,3 14,3 0,8 Außer Betr. 51,5 Laststufe ,2 14,5 0,5 Außer Betr. 58,7 Laststufe ,3 14,9 0,2 Außer Betr. 78,2 Unterscheidung in GT Volllast und GT Teillast bei NOx: Anlage hat bei < 70% höheren Grenzwert genehmigt bekommen bei Einhaltung einer bestimmten Jahresfracht. 13

14 m3/h Gasm AHK m3/h Gasm GT Beispiel 3: GT Kombi bei verschiedenen Lasten nach 13. BImSchV :12 8:24 9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 18: :12 8:24 9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:00 14

15 Beispiel 3: GT Kombi bei verschiedenen Lasten (13. BImSchV) Prüfung der Repräsentativität der HCHO Konzentration im Messquerschnitt Parameter Messachsen Messpunkte je Achse O 2, CO, NOx 5 4 Netzmessung mit: Achse MP i ET Dauer Messwerte Verhältnis Netz- Mittelwert messung Netzmessung c grid c ref r i = c grid / c ref m min mg/m³ mg/m³ % 1 1 0,23 2 1,3 1,4 92, ,68 2 1,6 1,4 118, ,13 2 1,6 1,4 113, , ,23 2 1,5 1,4 108, ,68 2 1,3 1,4 90, ,13 2 1,1 1,4 81, , ,23 2 1,2 1,4 87, ,68 2 1,5 1,4 110, ,13 2 1,7 1,4 119, , ,23 2 1,4 1,4 99, ,68 2 1,3 1,4 96, ,13 2 1,6 1,4 114, , ,23 2 1,0 1,4 71, ,68 2 1,6 1,4 118, ,13 2 1,1 1,4 81, ,

16 Beispiel 3: GT Kombi bei verschiedenen Lasten nach 13. BImSchV Formaldehyd Gasm GT Gasm AHK O2 GT CO Kom VL NO2 Kom VL CO Kom TL NO2 Kom TL O2 Bezug mg/m3in. m3/h m3/h Vol% mg/m3in. mg/m3in. mg/m3in. mg/m3in. Vol% Laststufe 1 0, ,4 0,0 59,9 Außer betr. Außer betr. 11,0 Laststufe 2 4, ,8 108,3 40,1 Außer betr. Außer betr. 13,7 Laststufe 3 3, ,8 77,1 34,1 Außer betr. Außer betr. 13,3 Laststufe 4 2, ,1 81,7 34,4 Außer betr. Außer betr. 13,2 Laststufe 5 1, ,9 47,8 39,6 Außer betr. Außer betr. 12,7 Laststufe 6 1, ,3 43,2 41,5 Außer betr. Außer betr. 12,9 Laststufe 7 1, ,5 Außer betr. Außer betr. 48,1 43,9 12,8 Laststufe 8 1, ,6 Außer betr. Außer betr. 31,8 45,5 12,5 Laststufe 9 0, ,5 Außer betr. Außer betr. 20,9 36,9 12,1 Laststufe 10 4, ,6 Außer betr. Außer betr. 166,7 32,8 11,9 Unterscheidung in GT Volllast und GT Teillast bei CO und NOx: Anlage hat bei < 70% höhere Grenzwerte genehmigt bekommen bei Einhaltung einer bestimmten Jahresfracht. 16

17 Beispiel 3: GT Kombi bei verschiedenen Lasten nach 13. BImSchV Messkomponente: HCHO Probenahmeparameter Randbedingungen: - Anzahl durchgeführter Einzelmessungen: 3 - Bemerkung: - Messung-Nr.: Volllast 1 Volllast 2 Volllast 3 - Messdatum: Uhrzeit : von: 15:43 16:13 16:43 bis: 16:13 16:43 17:13 - Luftdruck: [hpa] Mittleres Abgasvolumen (N, tr): [m³/h] Standardabweichung uc: [m³/h] Mittlere Abgasgeschwindigkeit: [m/s] - Mittlere Abgastemperatur [ C] - Bezugssauerstoff: [Vol.-%] 13,1 13,1 13,1 - Mittlerer Sauerstoffgehalt: [Vol.-%] 13,4 14,0 13,5 Standardabweichung uc: [Vol.-%] 0,16 0,17 0,16 - Abgasreinigung vorhanden? nein nein nein Parameter Labor HCHO : - Bestimmungsgrenze: [mg/pr.] 0,001 0,001 0,001 - Relative Bestimmungsgrenze: [mg/m³ *] 0,03 0,03 0,03 Analysenergebnisse HCHO : Gesamtprobe [mg/pr.] 0,028 0,028 0,029 Messergebnisse Einzelmessungen HCHO: - Massenkonzentrationen [mg/m³ *] 0,9 0,9 0,8 Standardabweichung uc: [mg/m³ *] 0,31 0,31 0,31 - Massenkonz. bez. auf 13,06 Vol.-% O2 [mg/m³ *] 0,9 1,0 0,8 Standardabweichung uc: [mg/m³ *] 0,33 0,35 0,33 - Massenstrom: [g/h] 235,1 239,6 210,2 Standardabweichung uc: [g/h] 81,8 83,4 82,1 Messkomponente: Nach längerem stabilem Betrieb konnten erhöhte Konzentrationen nach VDI 3862 Blatt 2 nicht bestätigt werden HCHO Probenahmeparameter Randbedingungen: - Anzahl durchgeführter Einzelmessungen: 3 - Bemerkung: - Messung-Nr.: Teillast 1 Teillast 2 Teillast 3 - Messdatum: Uhrzeit : von: 13:18 13:48 14:18 bis: 13:48 14:18 14:48 - Luftdruck: [hpa] Mittleres Abgasvolumen (N, tr): [m³/h] Standardabweichung uc: [m³/h] Mittlere Abgasgeschwindigkeit: [m/s] - Mittlere Abgastemperatur [ C] - Bezugssauerstoff: [Vol.-%] 12,3 12,3 12,3 - Mittlerer Sauerstoffgehalt: [Vol.-%] 14,0 14,0 14,0 Standardabweichung uc: [Vol.-%] 0,17 0,17 0,17 - Abgasreinigung vorhanden? nein nein nein Parameter Labor HCHO : - Bestimmungsgrenze: [mg/pr.] 0,001 0,001 0,001 - Relative Bestimmungsgrenze: [mg/m³ *] 0,02 0,02 0,03 Analysenergebnisse HCHO : Gesamtprobe [mg/pr.] 0,021 0,019 0,017 Messergebnisse Einzelmessungen HCHO: - Massenkonzentrationen [mg/m³ *] 0,5 0,5 0,4 Standardabweichung uc: [mg/m³ *] 0,30 0,30 0,29 - Massenkonz. bez. auf 12,34 Vol.-% O2 [mg/m³ *] 0,6 0,6 0,5 Standardabweichung uc: [mg/m³ *] 0,37 0,37 0,36 - Massenstrom: [g/h] 116,4 116,1 92,7 Standardabweichung uc: [g/h] 70,1 69,9 67,4 17

18 Beispiel 4: TA Luft <70% bis Volllast Gasturbine mit 600 kw FWL Wärmenutzung des Abgases durch Abhitzekessel Wärmegeführte Fahrweise angestrebt woraus sich jahreszeitlich abhängige Lastzustände ergeben Betreiber will Turbine in Lastbereichen bis < 40% Fahren Kleinlast Wirkungsgrade der Turbine sind für diesen Zweck wirtschaftlich vertretbar 18

19 Beispiel 4: TA Luft <70% bis Volllast Lasten waren aus verschiedenen Gründen nicht klar einstellbar (Inbetriebnahme Messung) Turbine 1 konnte HCHO, CO und NOx Grenzwerte einhalten Turbine 2 hatte bei Lasten < 100% Probleme die Werte zu halten Quelle Messkomponente Einheit Maximaler Messwert minus Up Maximaler Messwert plus Up GT1 Kohlenmonoxid (CO) g/m³ N,tr 0,05 0,06 GT1 NOx als NO2 mg/m³ N,tr Emissionsbegrenzung Betriebszustand 0, kw (81%) kw (81%) GT1 Formaldehyd (HCHO) mg/m³ N,tr kw (81%) GT2 Kohlenmonoxid (CO) g/m³ N,tr 0,13 0,16 0, kw (85%) Problematisch: Grenzwerte sind nur zwischen % festgelegt Anlage soll aber Lasten <70% Fahren GT2 NOx als NO2 mg/m³ N,tr kw (85%) GT2 Formaldehyd (HCHO) mg/m³ N,tr kw (85%) Die angegebenen Messwerte sind auf die Bedingungen der Emissionsbegrenzung bezogen. 19

20 Verwaltungsvorschrift, Referentenentwurf, Vollzugsempfehlung und 44. BImSchV TA Luft 2002 Referentenentwurf TA Luft Vollzugsempfehlung 44. BImSchV (MCP) GT Anlagen < 50 MW genehmigungsbed. GT Anlagen < 50 MW genehmigungsbed. GT Anlagen < 50 MW genehmigungsbed. GT Anlagen < 50 MW auch nicht genehmigungsbed. 1. Massenströme: NEIN 2. Grenzwert HCHO: NEIN 3. Grenzwert SO2: NEIN 4. Regelung < 70% NEIN 1. Massenströme: NEIN 2. Grenzwert HCHO:? 5 mg/m³ 3. Grenzwert SO2: NEIN 4. Regelung < 70% Ja bei HCHO: wird von Behörde festgelegt. 1. Massenströme: JA 2. Grenzwert HCHO:? 5 mg/m³ Information an Behörde Nachfrage bei Betreiber 4. Regelung < 70% JA bei HCHO: wird von Behörde festgelegt. 1. Massenströme: NEIN 2. Grenzwert HCHO: NEIN 3. Grenzwert SO2: JA 3,3 mg/m³ oder Brennstoffqualität 4. Regelung < 70% Ja für CO und NOx: wird von Behörde festgelegt. 20

21 Fazit Die Vollzugsempfehlung wurde bezüglich dem allgemeinen Grenzwert und Gasturbinenanlagen 1:1 im Referentenentwurf zur neuen TA Luft umgesetzt Im Referentenentwurf gibt es eine Regelung für HCHO bei < 70% FWL an GT Anlagen, jedoch nicht für CO und NOx In der 13. BImSchV werden für CO und NOx Grenzwerte <70% FWL von der Behörde festgelegt In der Vorabfassung der 44. BImSchV (MCP) gibt es keinen HCHO Grenzwert mehr dafür soll SO2 begrenzt werden. Künftig genehmigte Anlagen nach 44. BImSchV und Altanlagen nach TA Luft würden/haben diesen Grenzwert nicht bekommen In Folge der Vollzugsempfehlung gibt es schon Anlagen <50 MW mit HCHO Grenzwert von 5 mg/m³ bei >70 MW FWL! 21

22 Fazit Die kontinuierlich ermittelten Werte liegen höher als die diskontinuierlich ermittelten These: kontinuierlich wurden lediglich Kurzzeitwerte mit stetigen Lastwechseln gemessen Diskontinuierlich wurde ein Beharrungszustand über 1,5 Stunden gehalten Die meisten diskontinuierlich ermittelten HCHO Emissionen lagen < 1 mg/m³ Emissionen um 5 mg/m³ wurden bei erhöhtem CO ermittelt, Im Anfahrbetrieb liegen die CO und HCHO Emissionen am höchsten Im stabilen Betrieb konnte sowohl im GT Solobetrieb, als auch im Kombibetrieb mit Zusatzfeuer keine erhöhten Emissionen festgestellt werden 22

23 Fazit Das Interesse an einer Flexiblen Anlagenfahrweise steigt mit den Anforderungen an die Netzeinspeisung (Primär- und Sekundärregelleistung) Gasturbinen Anlagen können in einem weiteren Lastbereich als % effektiv und ökonomisch betrieben werden Bei kontinuierlich überwachten Anlagen gelten Grenzwerte oft auch bei <70% Wie geht man mit Anlagen ohne kontinuierliche Überwachung bei Lasten < 70% um, wenn diese tatsächlich gefahren werden Es bleibt spannend wie sich die gesetzliche Regelung entwickelt und die Überwachungsbehörden künftig mit der Grenzwert Festlegung an kontinuierlich und v.a. auch an nicht kontinuierlich überwachten Anlagen umgehen! 23

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