Anwendung der Verdünnte Verbrennung für regenerativ beheizte Glasschmelzwannen Eine Möglichkeit zur NO x -Reduzierung

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1 Anwendung der Verdünnte Verbrennung für regenerativ beheizte Glasschmelzwannen Eine Möglichkeit zur NO x -Reduzierung Dr.-Ing. Anne Giese, Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Görner 24. Deutscher Flammentag Postersession Prozessfeuerungen und thermische Behandlung Bochum September 2009 VDI-Berichte 2056, S. 435

2 Copyright Dieser Beitrag ist geistiges Eigentum der Autoren und des Gaswärme-Instituts. Er darf nur in der umseitigen Form zitiert werden. Die Verwendung von Bildern, Tabellen und Ergebnissen bedarf der Zustimmung der Autoren oder des Instituts. Gaswärme-Institut e. V. Essen (GWI) Hafenstraße Essen Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) Wissenschaftlicher Vorstand: Kaufmännischer Vorstand: Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Görner Dipl.-Betriebswirt Michael Radzuweit

3 Anwendung der Verdünnte Verbrennung für regenerativ beheizte Glasschmelzwannen Eine Möglichkeit zur NO x - Reduzierung Dr.-Ing. A. Giese, Gaswärme-Institut e.v. Essen; Prof. Dr.-Ing. habil. K. Görner, Universität Duisburg-Essen Kurzfassung Im Rahmen eines von der AiF geförderten Forschungsvorhabens Energieeinsparung und NO x -Minderung an regenerativ befeuerten Glasschmelzwannen durch verdünnte Verbrennung (AiF-Nr.: N) wurden die Möglichkeiten der verdünnten Verbrennung zur NO x - Minderung und Energieeinsparung an regenerativ beheizten Glasschmelzwannen untersucht. Durch die Kombination von numerischer Simulation und experimentellen Untersuchungen sowohl am GWI-Versuchsofen als auch an realen Glasschmelzwannen, konnten im Vorfeld auf effektive Weise zielführend Ergebnisse erreicht werden, ohne die laufende Produktion zu gefährden. Von den untersuchten Lösungsansätzen hat sich die Variante der externen Abgasrezirkulation in den Luftstrom als Erfolg versprechend herausgestellt. Durch die Zumischung von 20 % Abgas in den Luftstrom konnten die NO x -Emissionen im Abgas des GWI-Versuchsofens um bis zu 45 % gesenkt werden. Der Hintergrund, die Vorgehensweise sowie die erzielten Ergebnisse werden im nachfolgenden Beitrag erläutert. Hintergrund Das Schmelzen von Glas ist ein sehr energieintensiver Prozess. Um die hohen Schmelztemperaturen bei möglichst geringem Energieverbrauch zu erreichen, besteht eine Möglichkeit darin, die Verbrennungsluft auf bis zu 1400 C /1/ vorzuwärmen. Dies führt zu einer wesentlichen Verbesserung des feuerungstechnischen Wirkungsgrades und damit zu einer Verringerung des Energieverbrauches. Ein Nachteil der hohen Luftvorwärmtemperatur ist die damit verbundene hohe lokale Flammentemperatur, was unter anderem eine Erhöhung der NO x -Emissionen zur Folge hat. Durch die Verschärfung der Grenzwerte in der TA Luft 2002 (500 mg/nm³ für Neuanlagen bzw. 800 mg/nm³ für Altanlagen ab 2010) ist Handlungsbedarf gegeben. Um teure Sekundärmaßnahmen (wie DENOX-Anlagen) zu vermeiden, werden die Möglichkeiten für primäre Maßnahmen näher betrachtet. Aufbauend auf den bekannten Haupteinflussgrößen der NO x -Entstehung, Temperatur, Sauerstoffpartialdruck und Verweilzeit, wird im Rahmen des oben genannten AiF-

4 Forschungsvorhabens der Einsatz der verdünnten Verbrennung an regenerativ beheizten Glasschmelzwannen geprüft. Die Vorteile einer verdünnten Verbrennung (z. B. flammenlose Oxidation) ergeben sich unter anderem durch die hohe Rezirkulation von Abgas in die Reaktionszone, wodurch der Sauerstoffpartialdruck abgesenkt und die Temperaturspitzen abgebaut werden. Vorgehensweise Um auf effiziente Weise zu einem aussagekräftigen Ergebnis zu kommen und die laufende Produktion einer Glasschmelzwanne durch Umbaumaßnahmen nicht zu gefährden, wurden im Rahmen des genannten AiF-Projektes detaillierte experimentelle Untersuchungen an der GWI-Hochtemperaturversuchsanlage und Basisuntersuchungen an realen Glasschmelzwannen mit numerischen Simulationen gekoppelt. Nach der numerischen Abbildung des Ausgangszustandes wurden verschiedene Abgasrezirkulationskonzepte zuerst für den GWI-Versuchsofen entwickelt, siehe Abbildung 1. Die externe Abgasrezirkulation wurde durch eine Zumischung zur Luft und als weitere Variante als Zumischung zum Brennstoff geprüft. Die interne Abgasrezirkulation wurde durch eine Versetzung der Brennstoffzufuhr realisiert, um der Luft und dem heißen Abgas im Verbrennungsraum, die Möglichkeit der vorherigen Vermischung zu geben. In Abbildung 1 sind die Temperaturverteilungen im Vergleich zum Referenzfall (ohne Abgasrezirkulation) dargestellt. Abbildung 1. Berechnete Temperaturverteilung im GWI-Versuchsofen für verschiedene Abgasrezirkulationskonzepte Das generelle Flammenverhalten wird durch die externe Abgasrezirkulation kaum beeinflusst. Die interne Abgasrezirkulation verändert das komplette Flammenbild und kann so die gewünschte Glasqualität nicht mehr gewährleisten.

5 Die Ergebnisse der Umsetzung der verschiedenen Abgasrezirkulationskonzepte an der GWIVersuchsanlage sind in den Abbildungen 2 und 3 dargestellt. a) Aufbau für die externe Abgasrezirkulation b) Messergebnisse der Abgasrezirkulation in die Luft Abbildung 2. Versuchsaufbau und Messergebnisse der Abgasrezirkulation in Luft a) interne und externe Abgasrezirkulation b) externe Abgasrezirkulation in Luft Abbildung 3. Gemessene und berechnete dimensionslose NOx-Emissionen am GWIVersuchsofen Eine deutliche Reduzierung der NOx-Emissionen (ca. 45 %) kann durch die Zumischung einer definierten Menge Abgas in die Verbrennungsluft und die damit erzielte Absenkung des Sauerstoffpartialdruckes auf bis zu 17,5 % erreicht werden. Ausgehend von diesen guten Ergebnissen wurde die externe Abgaszumischung zur Luft auf die untersuchten Glasschmelzwannen angewandt. Die ersten Betrachtungen erfolgten auf numerischem Wege. Hierbei sollte das mögliche Reduktionspotenzial realer Anlagen abgeschätzt werden. In Abbildung 4 sind die berechneten Temperaturverteilungen für verschiedene Abgaszumischraten einer regenerativen U-Flammenwanne dargestellt. Die daraus resultierenden möglichen NOx-Minderungsraten sind in Abbildung 5 zu sehen.

6 Abbildung 4. Berechnete Temperaturverteilung einer U-Flammenwanne für verschiedene Abgaszumischraten Abbildung 5. Berechnete NO x -Minderungsraten bei verschiedenen Abgaszumischraten Im Laufe des Projektes /2/ haben sich eine Reihe von Fragen ergeben, die im Rahmen eines Nachfolgevorhabens geklärt werden müssen. Neben den Fragen des Energiehaushaltes der Wanne stehen die Auswirkungen auf die Wärmeübertragung und Druckverluste der Regeneratoren bei einer zusätzlichen Beladung von bis zu 20 % ebenso im Vordergrund wie die Realisierung an realen Anlagen. Hierfür haben schon zahlreiche Betreiber ihr Interesse bekundet. Literatur /1/ H. Pieper: Stand der Entwicklung von Glasschmelzwannen bezüglich Energieverbrauch und Emissionsverhalten. Konferenz-Einzelbericht: Zwischenbilanz zur rationellen Energienutzung bei Thermoprozeßanlagen, insbesondere Industrieöfen, 1996, S /2/ A. Giese: Energieeinsparung und NO x -Minderung an regenerativ befeuerten Glasschmelzwannen durch verdünnte Verbrennung (AiF-Nr N). Abschlussbericht 2008 Gaswärme- Institut e.v. Essen