Adaptive nicht katalytische Reduktion von Stickoxiden in Rauchgasen

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1 ANCR Adaptive nicht katalytische Reduktion von Stickoxiden in Rauchgasen MSc. M. Hahn, M.A.L. Umwelttechnik, Wien; Kurzfassung M.A.L. Umwelttechnik hat neben der bekannten und gebauten SNCR Technik ein eigenes fortschrittliches und modernes Verfahren (ANCR ) zur Entstickung von industriellen NO X- Emissionen entwickelt und patentiert. Diese neue Technologie zur Reduzierung von NO X- Emissionen stellt eine innovative Weiterentwicklung der bekannten SNCR-Technik für industrielle Anwendungen dar. 1. SNCR-System Der derzeitige Stand der Technik im Bereich der SNCR-Technik (selektive nicht katalytische Reduktion) ist die Eindüsung von Ammoniakwasser (25% vol.) oder Harnstofflösung (40% vol.) in das heiße Rauchgas. Dieses Verfahren wird seit Jahrzehnten eingesetzt und erfährt durch wachsende Effektivität vermehrt Aufmerksamkeit. Das optimale Temperaturfenster für das SNCR-Verfahren befindet sich zwischen 900 C und 1050 C. Ebenso wichtig wie die richtige Temperatur ist eine ausreichende Verweilzeit innerhalb des Temperaturfensters, optimal sollte diese bei einer Sekunde liegen. Je kürzer die Reaktionszeit ist, desto unvollständiger läuft die Reduktion ab. In Bild 1 sieht man den Einfluss von Temperatur und Verweilzeit auf die Abbau- Reaktion.

2 Bild 1: Darstellung der Einflüsse von Temperatur und Verweilzeit bei konstantem Verbrauch Es wird deutlich, dass eine optimale Reduktion nur stattfinden kann wenn beide maßgeblichen Größen, Temperatur und Verweilzeit, sich im richtigen Bereich befinden. Da die Bedingungen, und somit auch das Temperaturfenster, innerhalb des Kessels sehr stark schwanken können, besteht die Herausforderung für das SNCR-System darin, stets in das richtige Temperaturfenster einzudüsen um Ammoniakschlupf oder thermisches NO X zu vermeiden. Gründe für solche Schwankungen können Laständerungen, Änderung der Brennstoffqualität, Verschlackung der Kesselwände, Änderung der Luftstufung oder zu- bzw. Abschaltung von Brennerebenen sein. Konventionelle Anlagen haben meist mehrere Lanzenebenen, die temperaturabhängig geschalten werden um einer Änderung in der Brennkammer zu folgen. 2. ANCR -System Das neu entwickelte ANCR -System ist eine Weiterentwicklung des klassischen SNCR- Verfahrens. Die wesentlichen Entwicklungen sind einerseits die Nutzung eines CFD-Models zur Erfassung des tatsächlichen Rauchgas-Temperaturprofils und andererseits der Einsatz beweglicher Eindüs-Lanzen um das Reduktionsmittel immer in den optimalen Reaktionsbereich und mit der richtigen Menge einzubringen.

3 2.1 Das Echtzeit-CFD-Model Mit Hilfe des Echtzeit-CFD-Rechenmodels ist es möglich die Rauchgas-Temperaturverläufe und Verweilzeit innerhalb des Feuerraums in Echtzeit darzustellen. Dieses Model wird alle Sekunden neu berechnet und über reale Messpunkte (Temperatursensoren) am Kessel kalibriert um die Abweichungen zwischen Rechenmodell und Realität zu minimieren. Das ANCR -System verwendet das Rechenmodell und düst das Reaktionsmittel gezielt in jene Bereiche, wodurch eine hohe NOx-Abscheiderate von bis zu 75% erreicht werden kann. Bild 2: Grafische Darstellung des gesamt Temperaturspektrums(li.) und Hervorhebung des optimalen Temperaturprofils(re.)

4 Bild 3: Rauchgas-Temperaturverlauf eines kohlegefeuerten Kessels mittels CFD Analyse 2.2 Die Eindüslanzen Das optimale Temperaturfenster befindet sich selten in einem Bereich des Kessels in dem die Eindüsung problemlos möglich ist, in den meisten Fällen im Bereich der Überhitzerbündel. Diese Zonen sind meist örtlich schlecht zu erreichen, haben einen großen Temperaturgradienten und sind messtechnisch schlecht erfassbar. Zu diesem Zweck wurden drei spezielle Lanzentypen entwickelt, die je nach baulichen Bedingungen ausgewählt und eingesetzt werden. Die Ein- und ausfahrbare Lanze, Lanzentyp RRL (retractable and rotating lance), ist entwickelt worden um in die Hauptströmung zwischen den Wärmetauschern zu gelangen, ohne die Flächen baulich ändern zu müssen. Durch die bis zu 3,5m ausfahrbare Lanze, kann man ins Zentrum des Rauchgasstromes gelangen, wo hohe NOx Konzentrationen vorkommen.

5 Bild 4: RRL-Eindüselanze Bei konventionelle Systeme wird temperaturabhängig zwischen mehreren starren Lanzenebenen, die in die Gassen zwischen den Wärmetauscherflächen eindüsen, umgeschaltet. In älteren Systemen werden die Eindüsebenen in einem zu heißen Temperaturbereich verbaut um der Entstehung von NH3-Schlupf entgegen zu wirken. Dadurch resultiert ein wesentlich höherer Verbrauch an Reduktionsmittel. Um diese Ebenen ersetzen zu können wurde der schwenkbare Lanzentyp TL entwickelt. Durch die Schwenk-Funktion der TL-Lanze kann im Bereich zwischen den Wärmetauscherplatten dem Temperaturprofil gefolgt werden ohne weitere Lanzenebenen einbauen zu müssen. Bild 5: TL- Eindüselanze Um diese Technologie auch im Bereich der Müllverbrennung einsetzen zu können, wurde die drehbare Lanze, Lanzentyp RL (rotating lance), entwickelt. Diese Lanze dreht sich um Ihre eigene Achse und besitzt einen gekröpften Kopf. Durch diese Bauweise ist es möglich, eine

6 große Fläche zu benetzen und mittels Drehbewegung des Lanzenkopfs dem Rauchgas- Temperaturfenster in der Höhe zu folgen. Bild 6: RL- Eindüselanze Alle oben angeführten Lanzen werden mittels Kühlluft vor Überhitzung im Brennraum geschützt. 2.3 Anordnung der Eindüslanzen Die optimale Anordnung der Eindüslanzen ist für eine effiziente Entstickung maßgeblich entscheidend. Für die Positionen werden im ersten Schritt die mit Hilfe der 3D Echtzeit CFD sowie mittels Langzeitmessungen ermittelten Temperaturwerte herangezogen. Somit ist gewährleistet das die dynamische Bandbreite der Temperaturschwankung mit dem Eindüsbereich der ANCR abgedeckt werden kann. Im folgenden Schritt wird die optimale Anordnung der Eindüslanzen an die örtlichen Gegebenheiten des Kessels, sowol innerhalb als auch außerhalb, angepasst. Das Ergebnis dieser Vorgehensweise ist die bestmöglich, den prozesstechnischen Anforderungen entsprechende Anordnung der Eindüslanzen. Die nachfolgende Darstellung zeigt die Anordnung von ANCR Eindüslanzen an einem 363MW Steinkohle gefeuertem Kessel die wie beschrieben entsprechend den prozesstechnischen und örtlichen Anordnungen optimiert platziert wurden.

7 Bild 7: Blick in einen Steinkohle gefeuerten Kessel mit Lanzenanordnung im Bereich der Überhitzer 3. System-Vorteile Die Kombination der Echtzeit-CFD und der adaptiven Lanzen macht es möglich, dass das Reduktionsmittel in das optimale Temperaturfeld des Rauchgases eingebracht wird. Daraus ergeben sich folgende Vorteile: - NOx-Abscheidegrad bis zu 75% - Niedriger NH3-Schlupf - Bis zu 30% Reduktionsmitteleinsparung - Flexible Anlage - Einfach Nachrüstung - Geringerer Verrohrungsaufwand - Geringere Betriebskosten - Geringere Investitionskosten - Rasche Systemimplementierung