Weiterentwicklung der SNCR-Regelung durch Opti-Link
(pressebox) Buchholz, 20.05.2015 - Mit der Novellierung der bisherigen 17. Bundesimmissionsschutzverordnung (17.BImSchV) vom Mai 2013 sind neben der Verschärfung von Grenzwerten für Quecksilber auch die Verschärfung der Emissionsgrenzwerte für Stickstoffoxide und die Einführung von Grenzwerten für Ammoniak die wesentlichen Änderungen1. Dabei gelten unterschiedliche Anforderungen und Überganszeiten für Neuanlagen und Altanlagen. Neu ist auch, dass zwischen Anlagen mit bis zu 50 MW Feuerungswärmeleistung (FWL) und darüber unterschieden wird. Eine detaillierte Aufstellung der für die Entstickung wichtigen gesetzlichen Parameter ist in2 zu finden.
In einer ersten Stufe gilt ab 1.1.2016 der Grenzwert für gasförmiges Ammoniak (NH3) von 10 mg/Nm³tr im Tagesmittel (TMW) und 15 mg/Nm³tr im Halbstundenmittel (HMW) für alle SCR/SNCR-Anlagen unabhängig von der Feuerungswärmeleistung.
In der zweiten Stufe ab 1.1.2019 gilt für den TMW ein abgesenkter neuer NOx Grenzwert von 150 mg/Nm³tr für Bestandsanlagen mit einer FWL von mehr als 50 MW. Bestandsanlagen mit einer FWL von bis zu 50 MW sind hier nicht betroffen, da für sie der TMW von 200 mg/Nm³tr wie bisher gilt. Neu ist ein Jahresmittelwert (JMW) von 100 mg/Nm³tr für Neuanlagen und Anlagen mit mehr als 50 MW FWL. Der HMW beträgt wie bisher 400 mg/Nm³tr.
Zur Reduzierung des NOx-Gehaltes im Rauchgas von thermischen Abfallverwertungsanlagen wird das SNCR Verfahren (selektive nicht-katalytische Reduktion) seit Jahren erfolgreich eingesetzt. Entsprechend des NOx-Gehaltes im Rauchgas wird eine bestimmte Menge Reduktionsmittel ins Rauchgas injiziert, welches den NOx-Gehalt reduziert. Das Vorgehen bei der Optimierung von Bestandsanlagen mit und auch ohne SNCR ist in (3) beschrieben.
Dabei hängt die Effizienz des Prozesses davon ab, inwieweit die Eindüsung bei der optimalen Temperatur und mit der bestmöglichen Reduktionsmittelverteilung hinsichtlich des feuerungsseitigen Rohgas-NOx erfolgt.
Die Messung des Rohgas-NOx-Gehaltes als wesentliche Eingangsgröße der Regelung ist allerdings beim Betrieb der SNCR aufgrund der hohen Rauchgastemperaturen bisher nicht möglich. Es findet eine Regelung/Berechnung der Reduktionsmittelmenge allein nach dem Reingas-NOx-Gehalt, also dem Ergebnis der Reduktion, statt. Dies ist eine rückwärts gerichtete Strategie. Erschwerend ist zusätzlich die große Zeitspanne zwischen Eindüsung des Reduktionsmittels und Änderung der Reduktionsmittelmenge aufgrund der Messung des Reingas NOx Gehaltes. Diese Totzeit verhindert eine schnelle Anpassung der Reduktionsmittelmenge an Veränderungen des Rohgas-NOx Gehalts. Auf schwankende NOx-Rohgaskonzentration kann mitunter so nur schwer reagiert werden. Steht darüber hinaus keine schnelle Temperaturerfassung zur Verfügung ist die Änderung des Ergebnisses der Entstickung nur schwer einer dieser Faktoren zuzuordnen. Vielmehr wird die Regelung der Reduktionsmittelmenge nach dem NOx-Reingas Mittelwert (häufig Halbstundenmittelwert und / oder Tagesmittelwert) durchgeführt. Bietet das Verfahren aufgrund ungünstiger Bedingungen nicht genug Operationsspielraum, können Ausreißer des NH3-Schlupfwertes oder NOx-Reingaswertes schlecht kompensiert werden.
Das Verfahren birgt somit hinsichtlich der Regelung Optimierungspotential.
Wäre es möglich, Kenntnis über die aktuelle NOx-Entstehung bei der Verbrennung zu erlangen und in ein neues Regelungs- und Berechnungskonzept einzubinden, spielte die zeitliche Differenz zwischen SNCR Eindüsung und Reingasmessung für die Regelung der Reduktionsmittelmenge nur noch eine untergeordnete Rolle und es könnte eine vorwärts gerichtete Strategie umgesetzt werden. Positiv wären entweder eine höhere erreichbare NOx-Abscheidung oder ein geringerer NH3-Schlupf oder ein geringerer Betriebsmittelverbrauch.
Die Bildung von NOx bei der thermischen Verwertung von Abfällen ist die große unbekannte Größe, da der Stickstoffgehalt des Brennstoffs und die Verbrennungsbedingungen, welche für die Umsetzung dieses Brennstoffstickstoffes zu NOx verantwortlich sind, nur unzureichend bekannt sind. Hier setzt ein neues Verfahren an.
Das Opti-Link Verfahren setzt auf der bekannten Online-Bilanzierung auf und enthält die spezifische Erweiterung NOx-Calc, die es gestattet, unzureichend messbare Größen, wie den NOx-Rohgas-Wert, zu bilanzieren. Opti-Link sammelt in erster Linie Daten, um die Bilanzierung des gesamten thermischen Prozess durch Analyse der Teilprozesse durchzuführen. Diese Teilprozesse sind grob beschrieben die Luft- und (soweit möglich) Brennstoffzufuhr, der Verbrennungsprozess, die Dampfseite, Speisewassersystem sowie die Rauchgasnachbehandlung. Es werden Massen- und Energiebilanzen erstellt und ausgewertet. Hierzu werden die relevanten Daten sämtlicher Messgeräte über das Prozessleitsystem per Datenschnittstelle an Opti-Link geleitet.
Opti-Link berechnet aus den eingehenden Daten über Bilanzbildung verschiedener Teilräume Werte und Größen, welche nicht direkt messbar sind.
Ein wesentliches Element des Opti-Link Verfahrens ist die Ermittlung des momentanen Gesamtbrennstoffstickstoffgehaltes des Abfalls in der Applikation NOx-Calc. Dazu wurde ein Berechnungsalgorithmus entwickelt, der zunächst über mehrere Schritte der Optimierungsrechnung die momentane Zusammensetzung des verbrennenden Abfalls ermittelt (Abb. 2) und daran anschließend den Gesamtbrennstoffstickstoffgehalt abschätzt. Aus Messwerten und bilanzierten Größen wird eine passende Kombination aus Abfallfraktionen berechnet. Aus Kenntnis der durchschnittlichen, elementaren Zusammensetzung dieser Abfallfraktionen kann so auf den wahrscheinlichen momentanen Gesamtbrennstoffstickstoffgehalt geschlossen werden.
Der erste Schritt zur Kenntnis der aktuellen NOx Produktion bei der Verbrennung ist getan. Um die anlagenspezifische Umsetzungsrate des Brennstoffstickstoffes zu NOx zu kennen, sind Untersuchungen zur Anpassung und Parametrierung von NOx-Calc innerhalb des Opti Link Verfahrens notwendig.
Sind diese Schritte abgeschlossen, kann Opti-Link mit NOx-Calc aus den eingehenden Daten den aktuellen Rohgas NOx Wert bilanzieren. Mit Kenntnis des aktuellen Rohgas NOx Wertes ist eine radikal andere Regelungsphilosophie der SNCR möglich. Dabei gewinnt das neue Verfahren einen Geschwindigkeitsvorsprung zur konventionellen Regelung.
Der Unterschied zur konventionellen SNCR Regelung ist ein ganzheitlicher Ansatz. Wurden bei der konventionellen Regelung wenige zum Teil ungeeignete Parameter, wie in der Einleitung erwähnt, berücksichtigt, wird nun der Gesamtprozess ganzheitlich betrachtet.
Entstickungsergebnis mit Opti-Link Weitere Vorteile:
Als Nebenprodukt können weitere schwer messbare Größen, wie der Heizwert des Abfalls und seine angenäherte Zusammensetzung bestimmt und online wiedergegeben werden.
Das Verfahren setzt eingehende Messwerte in Bilanzmodelle ein. Sind Messwerte nicht plausibel, da z.B. Werte falsch übergeben werden, fällt dieses beim Einsatz des Verfahrens aufgrund von sich dadurch ergebenen rechnerischen Ungereimtheiten sofort auf.
Das Verfahren zeigt schnell und deutlich Verbesserungspotentiale bei der Entstickung auf und kann somit ein Bestandteil des Analyseprozesses sein.
Fazit: Gerade bei schwierigen Verhältnissen für die Entstickung lohnt es sich zur Einhaltung der verschärften Grenzwerte, erweiterte Regelungsmechanismen zu installieren und einzelne Anlagenkomponeten besser aufeinander abzustimmen. Mit Opti-Link wird der erste Schritt in Richtung einer ganzheitlichen Anlagenabstimmung getan, um zum Einem die neuen Grenzwerte sicher einzuhalten und zum Anderen erstmals durch die Generierung von bisher nicht zur Verfügung stehenden Zusatzinformationen über die Feuerung ein großes Potential aufzudecken.
1 Siebzehnte Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes. Berlin : BMJV, 02.05.2013.
2 Hukriede, Jürgen, Pachaly, Reinhard und Reynolds, Philip. Neue 17. BImschV - Auswirkungen auf bestehende Abfallverbrennungsanlagen mit SNCR-Technik sowie Lösungskonzepte. [Buchverf.] Karl Thomé-Kozmiensky und Michael Beckmann. Energie aus Abfall Band 11. Neuruppin : TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2014, S. 559-574.
In einer ersten Stufe gilt ab 1.1.2016 der Grenzwert für gasförmiges Ammoniak (NH3) von 10 mg/Nm³tr im Tagesmittel (TMW) und 15 mg/Nm³tr im Halbstundenmittel (HMW) für alle SCR/SNCR-Anlagen unabhängig von der Feuerungswärmeleistung.
In der zweiten Stufe ab 1.1.2019 gilt für den TMW ein abgesenkter neuer NOx Grenzwert von 150 mg/Nm³tr für Bestandsanlagen mit einer FWL von mehr als 50 MW. Bestandsanlagen mit einer FWL von bis zu 50 MW sind hier nicht betroffen, da für sie der TMW von 200 mg/Nm³tr wie bisher gilt. Neu ist ein Jahresmittelwert (JMW) von 100 mg/Nm³tr für Neuanlagen und Anlagen mit mehr als 50 MW FWL. Der HMW beträgt wie bisher 400 mg/Nm³tr.
Zur Reduzierung des NOx-Gehaltes im Rauchgas von thermischen Abfallverwertungsanlagen wird das SNCR Verfahren (selektive nicht-katalytische Reduktion) seit Jahren erfolgreich eingesetzt. Entsprechend des NOx-Gehaltes im Rauchgas wird eine bestimmte Menge Reduktionsmittel ins Rauchgas injiziert, welches den NOx-Gehalt reduziert. Das Vorgehen bei der Optimierung von Bestandsanlagen mit und auch ohne SNCR ist in (3) beschrieben.
Dabei hängt die Effizienz des Prozesses davon ab, inwieweit die Eindüsung bei der optimalen Temperatur und mit der bestmöglichen Reduktionsmittelverteilung hinsichtlich des feuerungsseitigen Rohgas-NOx erfolgt.
Die Messung des Rohgas-NOx-Gehaltes als wesentliche Eingangsgröße der Regelung ist allerdings beim Betrieb der SNCR aufgrund der hohen Rauchgastemperaturen bisher nicht möglich. Es findet eine Regelung/Berechnung der Reduktionsmittelmenge allein nach dem Reingas-NOx-Gehalt, also dem Ergebnis der Reduktion, statt. Dies ist eine rückwärts gerichtete Strategie. Erschwerend ist zusätzlich die große Zeitspanne zwischen Eindüsung des Reduktionsmittels und Änderung der Reduktionsmittelmenge aufgrund der Messung des Reingas NOx Gehaltes. Diese Totzeit verhindert eine schnelle Anpassung der Reduktionsmittelmenge an Veränderungen des Rohgas-NOx Gehalts. Auf schwankende NOx-Rohgaskonzentration kann mitunter so nur schwer reagiert werden. Steht darüber hinaus keine schnelle Temperaturerfassung zur Verfügung ist die Änderung des Ergebnisses der Entstickung nur schwer einer dieser Faktoren zuzuordnen. Vielmehr wird die Regelung der Reduktionsmittelmenge nach dem NOx-Reingas Mittelwert (häufig Halbstundenmittelwert und / oder Tagesmittelwert) durchgeführt. Bietet das Verfahren aufgrund ungünstiger Bedingungen nicht genug Operationsspielraum, können Ausreißer des NH3-Schlupfwertes oder NOx-Reingaswertes schlecht kompensiert werden.
Das Verfahren birgt somit hinsichtlich der Regelung Optimierungspotential.
Wäre es möglich, Kenntnis über die aktuelle NOx-Entstehung bei der Verbrennung zu erlangen und in ein neues Regelungs- und Berechnungskonzept einzubinden, spielte die zeitliche Differenz zwischen SNCR Eindüsung und Reingasmessung für die Regelung der Reduktionsmittelmenge nur noch eine untergeordnete Rolle und es könnte eine vorwärts gerichtete Strategie umgesetzt werden. Positiv wären entweder eine höhere erreichbare NOx-Abscheidung oder ein geringerer NH3-Schlupf oder ein geringerer Betriebsmittelverbrauch.
Die Bildung von NOx bei der thermischen Verwertung von Abfällen ist die große unbekannte Größe, da der Stickstoffgehalt des Brennstoffs und die Verbrennungsbedingungen, welche für die Umsetzung dieses Brennstoffstickstoffes zu NOx verantwortlich sind, nur unzureichend bekannt sind. Hier setzt ein neues Verfahren an.
Das Opti-Link Verfahren setzt auf der bekannten Online-Bilanzierung auf und enthält die spezifische Erweiterung NOx-Calc, die es gestattet, unzureichend messbare Größen, wie den NOx-Rohgas-Wert, zu bilanzieren. Opti-Link sammelt in erster Linie Daten, um die Bilanzierung des gesamten thermischen Prozess durch Analyse der Teilprozesse durchzuführen. Diese Teilprozesse sind grob beschrieben die Luft- und (soweit möglich) Brennstoffzufuhr, der Verbrennungsprozess, die Dampfseite, Speisewassersystem sowie die Rauchgasnachbehandlung. Es werden Massen- und Energiebilanzen erstellt und ausgewertet. Hierzu werden die relevanten Daten sämtlicher Messgeräte über das Prozessleitsystem per Datenschnittstelle an Opti-Link geleitet.
Opti-Link berechnet aus den eingehenden Daten über Bilanzbildung verschiedener Teilräume Werte und Größen, welche nicht direkt messbar sind.
Ein wesentliches Element des Opti-Link Verfahrens ist die Ermittlung des momentanen Gesamtbrennstoffstickstoffgehaltes des Abfalls in der Applikation NOx-Calc. Dazu wurde ein Berechnungsalgorithmus entwickelt, der zunächst über mehrere Schritte der Optimierungsrechnung die momentane Zusammensetzung des verbrennenden Abfalls ermittelt (Abb. 2) und daran anschließend den Gesamtbrennstoffstickstoffgehalt abschätzt. Aus Messwerten und bilanzierten Größen wird eine passende Kombination aus Abfallfraktionen berechnet. Aus Kenntnis der durchschnittlichen, elementaren Zusammensetzung dieser Abfallfraktionen kann so auf den wahrscheinlichen momentanen Gesamtbrennstoffstickstoffgehalt geschlossen werden.
Der erste Schritt zur Kenntnis der aktuellen NOx Produktion bei der Verbrennung ist getan. Um die anlagenspezifische Umsetzungsrate des Brennstoffstickstoffes zu NOx zu kennen, sind Untersuchungen zur Anpassung und Parametrierung von NOx-Calc innerhalb des Opti Link Verfahrens notwendig.
Sind diese Schritte abgeschlossen, kann Opti-Link mit NOx-Calc aus den eingehenden Daten den aktuellen Rohgas NOx Wert bilanzieren. Mit Kenntnis des aktuellen Rohgas NOx Wertes ist eine radikal andere Regelungsphilosophie der SNCR möglich. Dabei gewinnt das neue Verfahren einen Geschwindigkeitsvorsprung zur konventionellen Regelung.
Der Unterschied zur konventionellen SNCR Regelung ist ein ganzheitlicher Ansatz. Wurden bei der konventionellen Regelung wenige zum Teil ungeeignete Parameter, wie in der Einleitung erwähnt, berücksichtigt, wird nun der Gesamtprozess ganzheitlich betrachtet.
Entstickungsergebnis mit Opti-Link Weitere Vorteile:
Als Nebenprodukt können weitere schwer messbare Größen, wie der Heizwert des Abfalls und seine angenäherte Zusammensetzung bestimmt und online wiedergegeben werden.
Das Verfahren setzt eingehende Messwerte in Bilanzmodelle ein. Sind Messwerte nicht plausibel, da z.B. Werte falsch übergeben werden, fällt dieses beim Einsatz des Verfahrens aufgrund von sich dadurch ergebenen rechnerischen Ungereimtheiten sofort auf.
Das Verfahren zeigt schnell und deutlich Verbesserungspotentiale bei der Entstickung auf und kann somit ein Bestandteil des Analyseprozesses sein.
Fazit: Gerade bei schwierigen Verhältnissen für die Entstickung lohnt es sich zur Einhaltung der verschärften Grenzwerte, erweiterte Regelungsmechanismen zu installieren und einzelne Anlagenkomponeten besser aufeinander abzustimmen. Mit Opti-Link wird der erste Schritt in Richtung einer ganzheitlichen Anlagenabstimmung getan, um zum Einem die neuen Grenzwerte sicher einzuhalten und zum Anderen erstmals durch die Generierung von bisher nicht zur Verfügung stehenden Zusatzinformationen über die Feuerung ein großes Potential aufzudecken.
1 Siebzehnte Verordnung zur Durchführung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes. Berlin : BMJV, 02.05.2013.
2 Hukriede, Jürgen, Pachaly, Reinhard und Reynolds, Philip. Neue 17. BImschV - Auswirkungen auf bestehende Abfallverbrennungsanlagen mit SNCR-Technik sowie Lösungskonzepte. [Buchverf.] Karl Thomé-Kozmiensky und Michael Beckmann. Energie aus Abfall Band 11. Neuruppin : TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, 2014, S. 559-574.
