K+S Gruppe Schlema VII, Weimar, Mai 2012

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1 Wachstum erleben. K+S Gruppe Schlema VII, Weimar, Mai 2012 Dieselmotoremissionen Neues zum Stand der Technik im Untertagebergbau Dr. Sönksen, K+S Aktiengesellschaft, Kassel, K+S Gruppe

2 Einsatzbedingungen unter Tage 5 Kali-Bergwerke, 3 Steinsalz-Bergwerke, rd. 45 Mio. t/a Rohsalzgewinnung Überwiegend room and pillar Abbau mit Bohren und Sprengen Umgebungstemperatur C (Teufe bis zu 1500 m) Längsneigungen bis zu 28 % Querneigungen bis zu 15 % Gasförmige Emissionen ca. 75 % durch Diesel-Motoren ca. 25 % durch ANFO-Sprengstoffe Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 1

3 K+S Gruppe Produktionszyklus Großlochbohrwagen Firstankerbohrwagen Sauberlader Beraubemaschinen Sprenglochbohrwagen Lader ANFO-Fahrzeuge Sprengverfahren Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 2

4 Mobile Maschinen: Anzahl / Installierte Leistung Anzahl Mobile Maschinen Summe: ca Sonstige 22% Produktions / Baumaschinen 34% Installierte Diesel-Leistung Summe: ca. 200 MW Fahrzeuge 44% Sonstige 27% Produktions / Baumaschinen 41% Fahrzeuge 32% Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 3

5 Minderungsmaßnahmen Elektrische Antriebe Abgasoptimierte Diesel-Motoren Kraftstoff Abgasnachbehandlungs-Systeme Bewetterungsmaßnahmen Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 4

6 Elektro-Lader LF 17.2 D - ZI Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 5

7 Klimatisierter Diesel-Lader LF 18 D - ZI Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 6

8 Beraubemaschine LF 7.4 B Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 7

9 Sprenglochbohrwagen BW 50 Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 8

10 Befahrungsfahrzeug Suzuki Jimny Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 9

11 Diesel-Transport l Auflieger Schlema TU-Sö, , VII, LF Mai 2D 2012, D TU-Sö K+S Gruppe 10

12 Hauptgrubenlüfter ut m³/min kw Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 11

13 Gaskonzentrationen am Revierausgang (r+p) Konzentration der gasförmigen Komponenten in ppm Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 12

14 Arbeitsplatzgrenzwerte (AGW) Emittenten Emissionen Aktuelle Grenzwerte Dieselmotoren Dieselmotoremissionen DME (elementarer Kohlenstoff EC im Feinstaub) Ehemaliger TRK-Wert = 0,1 bzw. 0,3 mg EC/m³) (üt bzw. ut) Sprengstoff Natürlich auftretende Gase Kohlenmonoxid Kohlendioxid Stickstoffmonoxid Stickstoffdioxid CO CO 2 NO NO 2 AGW AGW = = Ehemaliger MAK-Wert Ehemaliger MAK-Wert 30 ppm ppm = 25 ppm = 5 ppm Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 13

15 Arbeitsplatzgrenzwerte NO and NO 2 8h-Schichtmittelwert [ppm] NO NO ppm NO NO 2 5 ppm 2 ppm Alter Alter MAK-Wert NO NO 2 0,5 ppm Nationaler Vorschlag (D) (D) Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 14

16 Arbeitsgrenzwerte für DME 0,35 0,3 Untertage Untertertage 300 μg/m³ 8h-Schichtmittelwert [mg/m³] 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 Übertage 100 Übertage μg/m³ 50 μg/m³ 0 Früherer TRK-Wert Nationaler Vorschlag (D) Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 15

17 Minderungs-Strategien Abgas von Dieselmotoren Partikel (PM) Gase (CO, HC, NO x ) Partikel- Filter-Systeme (DPF) Oxidation von NO zu NO 2!!! Oxidations- Katalysator (DOC) Reduktion von CO und HC SCR - Katalysator (Selective Catalytic Reduction) Reduktion von NO x DPF + SCR = SCRT- System Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 16

18 Emissionsminderungen bei Dieselmotoren Neue Motorentechnologie PKW: EURO 1 -> zur Zeit EURO 5 Mobile Arbeitsmaschinen: Stufe II -> zur Zeit Stufe IIIB Abgasbehandlung Diesel-Partikelfilter-Systeme zur Rußpartikelminderung (DPF) Problem Regeneration! Denox-Systeme zur Stickoxid-Minderung durch AdBlue (SCR = Selective Catalytic Reduktion) Kombination aus Denox- und Partikelfiltersystem (SCRT = SCR + DPF) Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 17

19 Abgasstufen Mobile Maschinen kw Stufe II / III A Partikelemission PM in g/kwh Stufe III B Stufe IV 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Partikelfilter Stickoxidemission NOx in g/kwh Stufe IV 2014 (= Tier IV) Kalte Verbrennung Geringes NOx Erhöhte AGR Erhöhte Einspritzzeit Stufe III B Stufe III A (= Tier IV interim) Alte Motorentechnologie Heiße Verbrennung Hohes NOx SCR-Systeme Stufe II 2001 Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 18

20 Sohlenfräse mit SCR-System von DEUTZ Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 19

21 Sohlenfräse mit SCR-System von DEUTZ Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 20

22 SCR-System Sohlenfräse Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 21

23 Mindestwettermenge Sohlenfräse Dieselmotor TCD 2015CRV06, 273 kw, Stufe IIIB Prototyp Mit SCR-System von DEUTZ Kraftstoffverbrauch ca. 35 l/h Ad-Blue-Verbrauch ca. 2 l/h NOx-Minderung ca. 75 % Berechnete Wettermenge 0,71 m³/(min kw) (CO 2 bestimmt!) Betriebliche Wettermenge 273 m³/min (= 1,0 m3/(min kw)) Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 22

24 DEUTZ SCR-System Geringe Partikel Emission entsprechend Stufe IIIB Motor NO x -Reduktion > 75 % Geringste Mindestwettermenge Einsatz ohne größere Probleme Minimale Abgas-Temperatur von ca. 270 C für die Eindüsung von Ad-Blue Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 23

25 Fahrlader LF 20 D - BO BF 8M kw /min Schlema TU-Sö, , VII, COnsulting Mai 2012, Knauf TU-Sö K+S Gruppe 24

26 SCRT-System von Johnson Matthey LF 20 D Harnstoff-Pumpe SCR-Module Partikelfilter- Module Ad-Blue Tank Harnstoff- Eindüsung (Element nicht dargestellt!) Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 25

27 Johnson Matthey SCRT-System LF D 2. Reduktion von NOx > 75 % 1. Partikel- Reduktion > 95 % (CRT- Effekt für Regeneration) Urea-Injektion ( Ad Blue ) Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 26

28 Mindestwettermenge LF 20 D Dieselmotor BF6M1015, 320 kw, Stufe II Kraftstoffverbrauch ca. 35 l/h 1,95 m³/min kw rd. 740 m3/min Mit SCRT-System von Johnson Matthey Ad-Blue-Verbrauch ca. 2 l/h Partikel-Abscheiderate ca. 95 % NOx-Minderung ca. 75 % Berechnete Wettermenge 0,77 m³/(min kw) Betriebliche Wettermenge 320 m³/min (= 1,0 m3/(min kw)) Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 27

29 Absenkung der Emissionen am LF 20 D Erforder. spez. Mindestwettermenge m³/min kw 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 3,4 m³/min KW Alte Motoren vor 2001 Stufe II LF20 D ohne Abgasnachbehandlung Motortyp Stufe II +SCRT LF20 D mit Abgasnachbehandlung Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 28

30 Harnstoffablagerungen beim SCRT-System Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 29

31 Johnson Matthey SCRT-System LF 20 D Partikel Reduktion > 95 % NO x -Reduktion > 75 % Komplexes System mit großem Einbauraum Re-Design der kompletten Elektrischen und Luftversorgungs-Anlage durch den Maschinenhersteller, um ein bergbaugeeignetes System zu erzielen! Minimale Abgas-Temperatur ca C für die Eindüsung von AdBlue System reagiert sensibel auf hohe Abgasgegendrücke und hohe Rußbeladung Optimierung des Abgasgegendruck-Überwachungs-Systems Speziell geschultes Instandhaltungspersonal sowie detaillierte Instandhaltungsanweisungen erforderlich! Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 30

32 Diesel-Partikel-Filter-Systeme (Nachrüstung) Fischer I Fischer III Fischer HC Power Mann + Hummel Filter Element Silizium Carbid SiC unbeschichtet Silizium Carbid SiC CDPX Beschichtung (Platin/Palladium) Silizium Carbid SiC Beschichtet Sinter Metall unbeschichtet Regeneration Additive Satacen 3 (Abgas-Temperatur > 350 C) Additive Satacen 3 (Abgas Temperatur > 320 C) Kraftstoff Einspritzung (Abgas-Temperatur > 250 C) Additive Satacan 3 (Abgas-Temperatur > 300 C) (+ elektrische Heizung) Johnson Matthey Silizium Carbid SiC Low NO 2 -System NO 2 -Reduktion + geringe NO X -Red. NO 2 -Regeneration und Kraftstoff-Einspritzung in Katalysator (Abgas-Temperatur > 250 C) Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 31

33 Filtersystem Mann+Hummel, Sinter Metall Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 32

34 Filtersystem Mann+Hummel, Sinter Metall Filter LF 12.2 DEUTZ F 12 L413 FW 187 kw /min Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 33

35 Filtersystem Mann+Hummel, Sinter Metall Filter Geringer Abgasgegendruck Hohe Aufnahmenkapazität für Russ und Additiv-Asche Robustes System Weiter Bereich der Abgas-Temperatur mit elektrischer Begleitheizung Großer Einbauraum (im Vergleich zu SiC-Filter) Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 34

36 Niedriger Fahrlader (Super Low Profile) SLP 12 Nutzlast: 12 t Gesamtgewicht: 50 t Maschinenhöhe: 1,65 m Schaufelbreite: 4,62 m Installierte Leistung: 240 kw Fahrantrieb: Hydrostatisch Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 35

37 SLP Generation 12 t 1,65 m Diesel Motor: TCD 2015 V6 - Stufe III A 240 kw / /min + Fischer-DPF mit Additiv-Regeneration (FBC) oder Kraftstoffregeneration (HCpower) Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 36

38 Fischer DPF mit Additiv-Regeneration (FBC) Geringer Einbauraum Einfaches Dosier-System Negativer Einfluss des Additivs auf die Kraftstoff-Oxidationsstabilität unter hohen Einspritzdrücken Verkokung der Einspritzdüsen des Dieselmotors nach ~ 500 h aufgrund des hohen Abgasgegendrucks (Stufe IIIA - Motoren mit hoher Partikelemission!) Geringe Standzeit der Filterelemente von ~ 1000 h mit regelmäßiger externer Reinigung Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 37

39 Fischer DPF mit Kraftstoff-Regeneration HC power Anzeige Sensoren Kraftstoff- Behälter Kraftstoff- Pumpe ECU Kraftstoff- Einspritzung DPF DOC Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 38

40 SLP 12 mit Fischer DPF HC power DOC DPF Wassergekühlte Kraftstoff- Einspritzdüsen Temperatur- Sensoren Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 39

41 SLP 14/12 2. Generation 14 / 12 t 1,80 / 1,65 m Diesel Motor TCD 7.8 L6 - Stufe III B 245 kw, /min Quelle: DEUTZ AG + DEUTZ-DPF mit Brenner Regeneration Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 40

42 SLP 14/12 2. Generation Brenner für Partikel- Filter- Regeneration Luftpumpe für Brenner Quelle: DEUTZ AG Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 41

43 SLP 14/12 2. Generation Einlass- Kammer DPF-Element Abgasaustritt Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 42

44 DEUTZ Brenner System Voll integriertes System durch den Motorhersteller Geringer Einbauraum Weiter Bereich der Abgas-Temperatur / Lastprofile Komplexes Brenner System Erste Systeme seit August 2011 im Einsatz Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 43

45 Ladeluft / Wasser Kühler (Stufe IIIB versus Stufe IV) Motorkühler Stufe IIIB 2011 Stufe IV 2014 Größere Kühler Abgasnachbehandlungssysteme Komplexe Steuerungs- und Überwachungssysteme Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 44

46 Herausforderungen der Zukunft Dieselmotor- und Abgasnachbehandlungs-Technologien werden immer komplexer Erhöhte Anforderungen an Service-Personal! Motorentechnologie für Stufe IV ab 2014 in der Entwicklung Einbauraum für den Ladeluft- / Wasser-Kühler? Nachrüstung älterer Maschinen / -motoren schwierig aufgrund der Anpassungen an den tatsächlichen Lastzyklus System-Design muss die besonderen Einsatzbedingungen unter Tage berücksichtigen AGW s müssen fundiert begründet sein, um auch weiterhin einen Bergbau zu ermöglichen! Schlema VII, Mai 2012, TU-Sö K+S Gruppe 45