Online optimiert - Rauchgas-Reinigung in der Müllverbrennung

Über wichtige Einfluss-Faktoren auf die Rauchgas-Reinigung in Müllverbrennungsanlagen wie die Regelung der Feuerungsleistung im Rost oder der Ammoniak-Eindüsung in der Entstickung ist häufig noch zu wenig bekannt. Folge: Unvollständiger Ausbrand des Abfalls, zu hohe Betriebsmittel-Kosten und Korrosionsschäden. Abhilfe verspricht eine laseroptische Online-Messung, die die benötigten Parameter direkt im laufenden Prozess ermittelt. Das Beispiel der MVA Bonn.

17.10.2006 Seit 1991 betreibt nun die MVA Bonn GmbH ihre Anlage zur thermischen Verwertung von Siedlungsabfällen und hausmüllähnlichen Gewerbeabfällen. Sie besteht aus drei voneinander unabhängigen Verbrennungslinien, die jeweils für eine Verarbeitung von 10 Tonnen Müll pro Stunde ausgelegt sind. Auf diese Weise können pro Jahr etwa 240.000 bis 245.000 Tonnen Abfälle umweltgerecht verwertet werden.

Die dabei anfallende Schlacke macht etwa 30 Gewichts-Prozent des Müll-Inputs aus, wird aufbereitet und größtenteils im Straßen- und Wegebau verwendet. Und der im dreizügigen Naturumlaufkessel produzierte Dampf (Parametern: 40 bar/400 °C - 3 x 32 t/h im Dauerbetrieb) wird im direkt gegenüber gelegenen Heizkraftwerk Nord in Fernwärme (bis 28 MWtherm) und Strom (max. 14,6 MWel) für die Stadt Bonn umgewandelt. Im Jahre 2005 wurden so 212.178 MWh Fernwärme und 82.810 MWh Strom erzeugt, genug für etwa 23.500 Familienhaushalte.

Die Rauchgas-Reinigung der Bonner Müllverbrennungsanlage (MVA) ist im ersten Kesselzug integriert und arbeitet nach dem Verfahren einer ,selektiven nichtkatalytischen Reduktion' (SNCR-Verfahren): Ammoniak (NH 3 ) wird in 25-prozentiger Lösung dampfbetrieben auf vier automatisch anwählbaren Ebenen eingedüst. Es folgen: ein Sprühtrockner mit Aktiv-Kohleeindüsung, ein Elektro-Filter zur Staubabscheidung, ein Rauchgas-Wärmetauscher zur Temperatur-Absenkung hin zur Quenche (abrupte Abkühlung) sowie ein dreistufiger Nasswäscher. Anschließend wird das Rauchgas über einen Saugzug wieder durch den Wärmetauscher geleitet, um dann durch einen mit zusätzlichem Adsorbens betriebenen Schlauchfilter von Feinstäuben gereinigt zu werden und schließlich die Anlage über den Kamin zu verlassen.

Eine SNCR bietet naturgemäß nicht das Abscheidungspotenzial für Stickoxide (NOx) wie eine selektive katalytische Reduktion (SCR), arbeitet dafür aber im High-Dust-Bereich des ersten Kesselzuges bei Temperaturen von mehr als 800 °C ohne Wiederaufheizung. Da der genehmigte Grenzwert für NOx bei der MVA Bonn auf 100 mg/Nm³ im Tagesmittel bzw. 200 mg NOx/Nm³ im Halbstundenmittel - die halben Werte der 17. Bundes-Immissionsschutz-Verordnung (BImSchV) - festgelegt wurde, muss ein gewisser Überschuss an Ammoniak-Lösung zugegeben werden. Die sich hierdurch wieder bildenden Ammoniumsalze führen mit der Zeit zu anwachsenden Verkrustungen, möglicherweise in den Ecos (Vorwärmern) im 3. Kesselzug, auf jeden Fall aber im Teflonrohr des Wärmetauschers. Zwar hat eine im laufenden Betrieb arbeitende Reinigung mit Wasser die Gefahr sich zusetzender Wärmetauscher-Rohre stark minimiert. Dennoch besteht aus Kosten-Gründen der Wunsch, den Überschuss an Ammoniak gering zu halten. Eine Online-NH 3 -Messung kann ein wertvolles Werkzeug sein, um die SNCR in Richtung eines möglichst geringen Ammoniak-Schlupfes zu optimieren.

Für die Überwachung von Anlagen zur Rauchgas-Entstickung (DeNOx-Anlagen), gleichgültig ob nach SNCR- oder SCR-Technik arbeitend, wurde ein Kombi-Spektrometer entwickelt, das in einem Gerät drei Werte ermittelt: den Ammoniak-Schlupf, die Rohgas-Feuchte und den Trend der Staubbeladung und dies direkt (in situ) am Ort des Geschehens.

Die Montage erfolgt auf gegenüberliegenden Stutzen direkt am Abgaskanal. Eine kontinuierliche Spülung mittels Druckluft verhindert die Ablagerung von Staub sowie die Kondensation des Abgases an den optischen Fenstern. Durch die Analyse des Abgases direkt im Kanal werden die typischen Probleme extraktiver Analyse-Methoden wie Verstopfungen der Filter und Leitungen, Kondensat-Ausfall in den Leitungen oder Korrosionsschäden in Analysen-Geräten vermieden.

Des weiteren ermöglicht die In-Situ-Gas-Analyse eine Ansprechzeit im Sekundenbereich, so dass auch Prozesse mit einer hohen Dynamik verzögerungsfrei überwacht werden können. Das Kompakt-Spektrometer aus der Laser-Gas II Baureihe benötigt keine separate Auswerte-Einheit mehr, wodurch sich die Installationskosten auf ein Minimum reduzieren lassen. Eine Anzeige am Gerät gibt Auskunft über die Messwerte, zeigt Statusmeldungen an und hilft bei der Einjustierung der Mess-Strecke. Die Datenübertragung zum Prozess-Leitsystem erfolgt über Standardsignale.
 

Im Gegensatz zu konventionellen - Ultraviolett(UV) oder Infrarot(IR) - Spektrometern basiert der LaserGas II Monitor auf dem Messprinzip der "Einlinien-Spektroskopie". Durch Verwendung dieser ,Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy' (TDLAS - etwa: Absorptions-Spektroskopie mittels durchstimmbarer Laserdioden) wird eine Querempfindlichkeit auf andere Gase ausgeschlossen. Die Absorptionslinie des Messgases liegt im nahen IR-Bereich und wird mit einem Single-Mode-Diodenlaser abgescannt. Die Messung ist unabhängig von wechselnden Staubbeladungen. Wechselnde Prozess-Drücke oder Temperaturen werden intern kompensiert.

Die Laser-Spektrometer wurden am Kesselende der Verbrennungslinie 2 im September 2003 und an Linie 1 im Dezember 2005 in Betrieb genommen. Die gleiche Mess-Einrichtung für Linie 3 wird voraussichtlich im Herbst 2006 eingebaut.

Zu Beginn der Online-Messungen wurde den Erwartungen entsprechend noch ein verhältnismäßig hoher NH 3 -Schlupf in der Größenordnung um 17 mg pro Betriebskubikmeter (mg/Bm³) vorgefunden, den es nun galt, zu verringern. Ziel war und ist eine Größenordnung um oder unter 10 mg/Bm³. Die Ammoniak-Ersparnis von 7 mg/Bm³ würde dann angesichts eines mittleren Rauchgas-Volumenstromes an dieser Stelle von 60.000 Norm-m³/h (entspricht 114.000 Bm³/h bei 235°C) etwa 0,8 kg NH 3 /h je Linie bedeuten. Das entspricht einem Einspar-Potenzial von rund 3,2 kg/h bei der 25 Prozent-Lösung. Dies bedeutet zwar nur ca. 8.000 Euro pro Jahr weniger Ammoniak-Betriebsmittelkosten, aber die vermiedenen Salzablagerungen und damit Revisionskosten fallen naturgemäß ungleich stärker ins Gewicht.

Die Ausschläge der Schlupf-Kurve sind zwar jetzt stärker, da die Regelung weniger scharf eingreifend eingestellt wurde. Dafür liegt der Mittelwert des Schlupfes jetzt aber unter 10 mg/Bm³. Hinzu kommt auch, dass durch Einbau einer zusätzlichen akustischen Gastemperatur-Messung (AGAM) im ersten Kesselzug auf Höhe +18,6 Meter an Linie 2 bzw. +13,1 Meter an Linie 1 ein neuer Anknüpfungspunkt für die automatische Eindüs-Ebenenwahl neben den oben im ersten Zug befindlichen Thermo-Elementen gewonnen wurde.

Die Auswahl der Ebene erfolgt anhand der "optimalen Eindüshöhe" hopt. Auf diese Weise lässt sich die Wahl der Ebene auch dank der jetzt möglichen Kontrolle durch die NH 3 -Schlupfmessung besser feinjustieren. Die optimale Eindüshöhe hopt errechnet sich nach einer angenommenen Exponentialfunktion aus dem gemessenen Temperatur-Höhenprofil im ersten Kesselzug.

Noch im März 2006 wurde beispielsweise an Linie 2 bei einem Grundprofil von 7,5 mg/Bm³ Ammoniak-Schlupf durch Wahl der Ebene 3 bei Anstieg der Temperatur und somit der optimalen Eindüshöhe vorübergehend viel zu früh auf Ebene 4 umgeschaltet, was einen dramatischen Anstieg des NH 3 -Schlupfes zur Folge hatte. Umgekehrt erwies sich das Herunterschalten auf Ebene 2 als sehr günstig für den Verbrauch, da der Schlupf kurzzeitig sogar unter 5 mg/Bm³ zurückging.
 
Die Rückkehr zu Ebene 3 beim Anstieg der Temperatur war daher zu früh gewählt. Man muss dabei im Hinterkopf behalten, dass der NOx-Emissionswert über diese Schaltperioden nur kurzzeitig nach oben ausschlägt. Dies geschieht immer dann, wenn die Umschaltung unmittelbar erfolgt ist, weil das System sich eine Zeitlang auf der neuen Ebene stabilisieren muss. Die automatische SNCR-Regelung gibt sofort nach dem Überschwingen des Signals soviel Ammoniak hinzu, dass der NOx-Wert wieder unter 100 mg/Nm³ sinkt - daher der hohe Schlupf.

Was man allerdings immer im Auge behalten sollte, ist die Möglichkeit, dass eine Eindüsebene durch Verstopfung, Schieflage oder sonstigen Ausfall einzelner Ammoniak-Düsen kein gutes Ergebnis im Hinblick auf die NOx-Minderung erbringen kann, obschon sie eigentlich vom Temperaturprofil her die beste Wahl wäre. In solchen Fällen sind immer noch Handeingriffe durch den Wartenfahrer unverzichtbar, weshalb die NH 3 -Schlupfmessung auch nicht direkt auf die Ebenenwahl einwirkt. Unabhängig davon ist sie aber ein wesentliches Werkzeug bei der Feinjustierung der Regelung und für die Störungserkennung.

Auch hinsichtlich der die Regelung der Feuerungsleistung - ein Kernbaustein bei der möglichst ökologischen und dabei auch effizienten Verbrennung des sehr heterogenen Brennstoffs Müll auf einem Rost - stellt der Kombi-Spektrometer eine wertvolle Bereicherung dar. Ziel der Regelung ist es, im Rahmen der anlagentechnischen Möglichkeiten die größtmögliche Müllmenge im stabilen Dauerbetrieb durchzusetzen und dabei einen weitgehenden Ausbrand der Einsatzstoffe sowie niedrige Kohlenmonoxid(CO)-Emissionen gewährleisten zu können.

Ein wichtiger Baustein der Feuerleistungsregelung - kurz FLR - ist die frühzeitige Erkennung, ob sich heizwertarmer, nasser Müll oder trockene, hochkalorische Fraktionen auf dem Rost befinden. Bisher diente dazu eine Temperatur-Messung direkt hinter dem Nasswäscher. Sie stellte über die Feuchtigkeitssättigung im Rauchgas und damit die sich einstellende Quench-Temperatur ein ungefähres Maß für die Heizwert-Änderung dar. Das Eingangssignal wirkt in der FLR mit unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren auf die Geschwindigkeiten von Rost, Stößel und die Verbrennungsluftverteilung ein.

Zieht man den neuen laseroptisch gewonnenen Feuchte-Messwert direkt am Kesselende heran, so gewinnt man Information über den unteren Heizwert 5-7 Minuten früher und exakter, da bei der Temperatur-Messung noch Einflüsse aus dem Sprühtrockner, dem E-Filter und der Wäscher-Fahrweise das Bild beeinflussen. Allerdings hat sich bei der Umsetzung des Signals in die FLR herausgestellt, dass das neue Signal zu scharf und direkt ist, so dass eine Dämpfung vorgenommen werden musste. Diese geglättete H 2 O-Kurve stellt das ideale Eingangssignal für die FLR dar. Leider ist die Umsetzung des Signals noch nicht erfolgt. Die Testphase läuft noch, so dass von Ergebnissen in Bezug auf die Güte der Feuerlage mit Auswirkungen auf CO und Ausbrand noch nicht berichtet werden kann.

Die Transmissionsmessung erfolgt ebenfalls online und stellt quasi ein Nebensignal dar. Die Umrechnung der Transmission, also der Durchsichtigkeit des Messkanals inklusive Fenster, in einen Staubgehalt ergibt jedenfalls, dass der Staubgehalt beim Rußblasen bis auf 12-16 g/m³ ansteigt, um sich dann im Normalbetrieb im ungefilterten Rauchgas auf Werte um 1 g/Bm³ einzupendeln.

Im Ganzen betrachtet, stellt eine laseroptische Online-Messung der Komponenten NH 3 , H 2 O (Feuchte) und Staub eine sehr effektive Möglichkeit zur Erweiterung des Wissens um den Betriebszustand einer Müllverbrennungsanlage dar. Mit der immer aktuellen Kenntnis dieser Werte erschließt sich ein weites Feld von Optimierungsmöglichkeiten, da man jetzt erstmals genau weiß, wie die Anlage auf Änderungen reagiert.

Unternehmen, Behörden + Verbände: MVA Bonn GmbH, Bernt GmbH
Autorenhinweis: Peter Berg, Bernt GmbH, Dr. Rüdiger Heidrich, MVA-Bonn



Copyright: © Deutscher Fachverlag (DFV)
Quelle: Oktober 2006 (Oktober 2006)
Seiten: 4
Preis inkl. MwSt.: € 0,00
Autor: Peter Berg
Rüdiger Heidrich

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