VORTRAG VERBRENNUNGSTECHNIK

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1 VORTRAG VERBRENNUNGSTECHNIK 5. Mai 2015 DI. Ewald Sallinger Abteilung 8 - Kompetenzzentrum für Umwelt Wasser und Naturschutz Amt der Kärntner Landesregierung

2 Verbrennungsreaktionen und Gleichgewichtszustände Brennstoff + Sauerstoff Abgas + Energie Die wichtigsten erwünschten Ergebnisse der Verbrennung: C + O 2 CO kj/mol H 2 + 1/2 O 2 H 2 O (flüssig) kj/mol 1/2 N 2 + 1/2 O 2 NO + ca. 220 kj/mol S + O 2 SO kj/mol CO + 1/2 O 2 CO kj/kmol 1/2 Cl 2 + H HCl Unerwünschte Reaktionen bzw. Schadstoffe im Abgas: C + 1/2 O 2 CO kj/mol CxHy + O 2 CxHy +???? kj/mol CxHy + Cl + O 2 CxHyCl +???? kj/m

3 Ob die Verbrennung vollständig abläuft bzw. die Rahmenbedingungen für einen optimalen Verbrennungsprozess gegeben sind zeigt in erster Linie die so genannte Kohlenstoffoxid-Reaktionen (CO und CO 2 ) und daraus resultierend der Anteil an Kohlenmonoxid im Rauchgas. CO 2 + C 2 CO (Boudouard'sches Gleichgewicht) Daher erfolgt regelmäßig oder ständig eine Kontrolle und Optimierung des Kohlenmonoxidgehaltes im Rauchgas bei allen Verbrennungsanlagen a) Trocknung Phasen der Verbrennung Es wird das mitgeführte und das durch die hygroskopische Wirkung aufgenommene Wasser sowie die grobe Feuchtigkeit abgedampft. Dies bringt durch das Zuführen der Verdampfungswärme einen Wärmeverlust und eventuell zu zu niedrigen Brennkammertemperaturen. b) Entgasung Dabei werden durch die Wärme der Verbrennungsgase und der Strahlung die festen bzw. flüssigen langkettigen Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen (C 2 H 6, CH 4 ) aufgebrochen und als verschiedenste flüchtige Bestandteile frei. Wenn Halogene wie z.b. Chlor in Verbindungen (Salz, PVC usw.) im Brennstoff vorhanden ist, können sich eine Vielzahl von halogenierten Kohlenwasserstffen bilden

4 c) Kohlenstoffvergasung und Verbrennung Nachdem die flüssigen und festen Kohlenwasserstoffverbindungen durch Vergasung frei geworden sind, verbrennen sie nur dann vollständig zu H 2 O und CO 2 (sowie SO 2 NO und HCl), wenn die Temperatur und das Sauerstoffangebot passt. Ansonsten gehen sie unverbrannt mit dem Rauchgas ins Freie. Wenn Halogene wie z.b. Chlor in Verbindungen (Salz, PVC usw.) im Brennstoff vorhanden ist, bindet sich bei Sauerstoffmangel das freiwerden Chlor an die Kohlenwasserstoffe und es können sich verschiedenste halogenierte Kohlenwasserstoffe bilden, die dann nicht thermisch zersetzt werden. Die Vergasung des Kohlenstoffes im Glutbett erfolgt durch Verbrennung zu CO und dann wenn die Temperatur und das Sauerstoffangebot passt (also bei weiterer Sauerstoffzufuhr) zu CO 2.

5 Für eine vollständige Verbrennung müssen gleichzeitig drei Vorraussetzungen in der Brennkammer vorhanden sein: - Ausreichend Sauerstoff mit guter Durchmischung (ausreichender Restsauerstoffgehalt im Abgas) - ausreichende hohe Temperatur ( > 850 C in der Nachverbrennung) - genügend Verweilzeit des Brennstoffes in der heißen Zone (1-2 sec) Die Art und Menge der Freisetzung von Luftschadstoffen bei der Verbrennung hängt ab von: - Art und Zusammensetzung der Brennstoffe bzw. Einsatzstoffe Schwermetallanteil(Hg,Cd), Halogenanteil, Schwefelgehalt Stickstoffgehalt - Verbrennungstechnik, Verbrennungsprozess selbst Feuerunstechnik(Zerstäubungsbrenner, Rost- Wirbelschicht- Drehrohröfen) Brennraummindestemperatur, Durchmischung - Art und Abscheidegrad der vorhandenen Rauchgasreinigungseinrichtungen Staubfilter(Elektro-Gewebefilter), Wäscher(sauer Basisch), Entstickungsanlage Aktivkohlefilter.

6 Brennstoffe und deren Emissionspotential - Standardisierte Brennstoffe (Heizöle, Gas, Hackschnitzel, Pellets): Genormt, Inhaltstoffe und gewisse Eigenschaften vorgegeben bzw. streng begrenzt (z.b. Schwermetall- Halogenanteil) Verhalten bei der Verbrennung vorhersehbar Schadstoffemissionen bei geeigenten Anlagentechnik vorhersehbar bzw. im Wesentlichen auf gewisse Komponenten eingeschränkt Sicherstellung einer optimalen Verbrennung (CO- Überwachung, Steuerung-Restsauerstoff) und Staubabscheidung bei Festbrennstoffheizungen (bei größeren Anlagen Minimierung der NOx- Emissionen) reicht aus. Die Emissionsmessungen beschränken sich auf relativ wenige Emissionskomponenten (NOx, Staub, CO, org C, eventuell SO 2 )

7 - Abfallbrennstoffe, nicht standardisierte Brennstoffe: Inhaltstoffe in der Art (z.b. Schwermetalle, Halogene) und dem Anteil und auch gewisse Eigenschaften (z.b. Heizwert,) unterliegen Schwankungen bzw. sind komplex und oft umfangreich Verbrennungsablauf und Emissionspotential schwer vorhersehbar und beherrschbar, daher gibt es für eine Vielzahl von Schadstoffkomponenten Emissionsbegrenzungen Neben CO- und Restsauerstoffüberwachung ist auch die eine gewisse Mindesttemperatur im Kessel zu überwachen. Je nach Abfalleinsatz sind mehr oder weniger Rauchgasreinigungsanlagen (Wäscher, Aktivkohleabscheider, Gewebefilter, Adsorbensbeigabe) erforderlich, deren Funktion ständig überwacht wird. Die kontinuierliche Emissionsüberwachung und auch die Emissionseinzelmessungen sind umfangreich vorzunehmen. Umfangreiche Eingangskontrollen sind erforderlich

8 Luftschadstoffe aus der Verbrennung: Luftschadstoffe: Stickoxide Emissionsursache: Brennstoff (Temperatur über C) Minimierung bzw. Vermeidung durch: Brennraumtemperatur < 1000 C, Entstickungsanlage (Ammoniak- Harnstoffeingabe - SNCR, SCR) Luftschadstoffe: Staub, Schwermetallverbindungen in staubförmigen Zustand Emissionsursache: Brennstoffinhalte (Erdakalien, Metalle), unvollständige Verbrennung Minimierung bzw. Vermeidung durch: Zyklon, Elektrofilter, Gewebefilter (Wäscher) Luftschadstoff: Kohlenmonoxid Emissionsursache: unvollständiger Ausbrand Minimierung bzw. Vermeidung durch: Verbrennungsoptimierung (Brennraumtemperatur, Durchmischung, Nachverbrennungszone)

9 Luftschadstoffe: Schwermetalle filtergängig (Cadmium, Quecksilber) Emissionsursache: Brennstoffe, Einsatzstoffe, Abfallstoffe Minimierung bzw. Vermeidung durch: Wäscher, Aktivkohlefilter Luftschadstoffe: Halogene (Chlor,Fluor) Emissionsursache: Brennstoffe, Abfälle Minimierung bzw. Vermeidung durch: Wäscher, Trockenadditive (Kalkadsorbens) Luftschadstoffe: unverbrannte Kohlenwasserstoffe PAHs(Benzol, Benz(a)pyren, Formaldehyd..) Emissionsursache: unvollständige Verbrennung Minimierung bzw. Vermeidung durch: Optimierung des Verbrennungsprozesses eventuell Aktivkohlefilter Luftschadstoffe: unverbrannte halogenierte organische Verbindungen Emissionsursache: Brennstoffe, Einsatzstoffe (z.b. C x H y Cl z ) und unvollständige Verbrennung Minimierung bzw. Vermeidung durch: Optimierung des Verbrennungsprozesses,Wäscher, Aktivkohlefilter

10 Luftschadstoffe: Dioxine/Furane(PCCD/F) Emissionsursache: Brennstoffe, Einsatzstoffe (z.b. C x H y Cl z ) unvollständige Verbrennung, Novosynthese (Benzol) Minimierung bzw. Vermeidung durch: Optimierung des Verbrennungsprozesses, Aktivkohlefilter Kohleadsorbens,

11 Verbrennungssysteme Zerstäubungsbrenner flüssige Brennstoffe:

12 Wirbelschichtfeuerung:

13

14 Rostfeuerung:

15 Drehrohrofen Das Rauchgas geht über eine Nachverbrennung, Wärmetauscher und diverse Abgasreinigungsanlagen gereinigt und abgekühlt ins Freie

16 Sonderfall Zementwerk - Hohe Temperatur im Drehrohr (< 1100 C) und Calzinator führt zu vollständiger Zerstörung von (chlor)organischen Stoffen - Niedrige bis mittlere Temperaturen (< 500 C) im Wärmetauscher sowie organische Einschlüsse im Rohmaterial führt zur Verdampfung und(neu)bildung von verschiedenen (chlor) organischen Schadstoffen, die ohne nachgeschalteter TNV unzerstört ins Freie gelangen

17 Abfallverbrennungsverordnung (AVV) Emissionsgrenzwerte (G Abfall ) für Verbrennungsanlagen Verbrennungsanlagen haben die folgenden Emissionsgrenzwerte im Abgas, angegeben in mg pro m 3 (Dioxine und Furane in ng pro m 3 ) trockenes Abgas und bezogen auf 11% Sauerstoff (im Fall der alleinigen Verbrennung von Altöl gemäß 16 Abs. 3 AWG 2002 bezogen auf 3% Sauerstoff) einzuhalten: 1. Halbstundenmittelwerte: a) staubförmige Emissionen 10 mg/m 3 b) gas- und dampfförmige organische Stoffe, angegeben als organisch gebundener Kohlenstoff insgesamt. 10 mg/m 3 c) Chlorwasserstoff (HCl) mg/m 3 d) Fluorwasserstoff (HF) 0,7 mg/m 3 e) Schwefeldioxid (SO 2 ). 50 mg/m 3 f) Stickstoffoxide (NO und NO 2 ), angegeben als NO 2 bei einer Nennkapazität bis 2 t Abfall /h für Neuanlagen. 200 mg/m³ für bestehende Anlagen 300 mg/m³ bei einer Nennkapazität von mehr als 2 bis 6 t Abfall /h. 200 mg/m³ bei einer Nennkapazität von mehr als 6 t Abfall /h mg/m³ g) Kohlenstoffmonoxid (CO) mg/m 3 h) Quecksilber und seine Verbindungen, angegeben als Hg 0,05 mg/m 3 2. Tagesmittelwerte: a) staubförmige Emissionen. 10 mg/m 3 b) gas- und dampfförmige organische Stoffe, angegeben als organisch gebundener Kohlenstoff insgesamt.. 10 mg/m 3 c) Chlorwasserstoff (HCl) mg/m 3 d) Fluorwasserstoff (HF).. 0,5 mg/m 3 e) Schwefeldioxid (SO 2 ) mg/m 3 f) Stickstoffoxide (NO und NO 2 ), angegeben als NO 2 bei einer Nennkapazität bis 2 t Abfall /h 200 mg/m 3 bei einer Nennkapazität von mehr als 2 bis 6 t Abfall /h mg/m 3 bei einer Nennkapazität von mehr als 6 t Abfall /h - für Neuanlagen 70 mg/m 3 - für bestehende Anlagen mg/m 3 g) Kohlenstoffmonoxid (CO) 50 mg/m 3 h) Quecksilber und seine Verbindungen, angegeben als Hg 0,03 mg/m³ 3. Mittelwerte über einen Zeitraum von 0,5 bis 8 Stunden: a) Cadmium und Thallium und ihre Verbindungen, angegeben als Cd und Tl 0,05 mg/m 3 b) Die Summe der Elemente Antimon, Arsen, Blei, Chrom, Kobalt, Kupfer, Mangan, Nickel, Vanadium, Zinn und ihrer Verbindungen, angegeben als Σ Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V, Sn. 0,5 mg/m 3 c) Ammoniak, angegeben als NH 3 (wenn NH 3 oder ähnliche Substanzen zur Entstickung eingesetzt werden)... 5 mg/m 3 4. Mittelwert über einen Zeitraum von 6 bis 8 Stunden: Dioxine und Furane.... 0,1 ng/m 3