Senkung stickstoffbasierter Emissionen in Wirbelschichtanlagen durch den Einsatz von Onlinebilanzierungsmethoden

Zeltner, Stefan

dc.date.accessioned	2020-11-06T12:25:59Z
dc.date.available	2020-11-06T12:25:59Z
dc.date.issued	2020
dc.identifier	doi:10.17170/kobra-202007211471
dc.identifier.uri	http://hdl.handle.net/123456789/11930
dc.description	Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2020	ger
dc.language.iso	ger	ger
dc.publisher	kassel university press
dc.rights	Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/	*
dc.subject	Wirbelschicht	ger
dc.subject	Stickoxide	ger
dc.subject	Lachgas	ger
dc.subject	Abfallverbrennung	ger
dc.subject	Emissionsminderung	ger
dc.subject.ddc	540
dc.subject.ddc	600
dc.title	Senkung stickstoffbasierter Emissionen in Wirbelschichtanlagen durch den Einsatz von Onlinebilanzierungsmethoden	ger
dc.type	Buch
dcterms.abstract	In dieser Arbeit wurden die Entstehung, das Verhalten, der Abbau und die Reduzierung von stickstoffbasierten Emissionen aus zirkulierenden Wirbelschicht-Verbrennungsanlagen untersucht. Den konkreten Anstoß für diese Arbeit lieferten zunehmend verschärfte Anforderungen (z.B. gesetzliche Emissionsgrenzwerte zu Stickoxiden und Ammoniak sowie Vorgaben aus den kürzlich überarbeiteten BREF-Merkblättern). Sie führten zur Forschungsfrage, wie stickstoffbasierte Emissionen aus Wirbelschicht-Verbrennungsanlagen gesenkt werden können. Als methodische Ansätze wurden die Auswertung des an der Referenzanlage vorhandenen Langzeitarchivs, die Entwicklung eines Online-Bilanzierungsprogramms, die Durchführung empirischer Versuchsreihen sowie ein Programm zur Modellierung und Simulation der im Anlagenbetrieb entstehenden Stickstoffemissionen verwendet. Neben der bekannten Temperaturabhängigkeit bei der Entstehung von Stickoxiden konnte an den beiden untersuchten Anlagen die starke Abhängigkeit der Bildungsreaktionen von NO, NO2, NH3, HCN und N2O vom vorherrschenden Sauerstoffpartialdruck in der Hauptverbrennungszone im Großmaßstab nachgewiesen werden. Je nach Anlage liegt der optimale Sauerstoffgehalt demnach bei ca. 4,0 Vol.-%. Die an den untersuchten Anlagen gemessene maximale N2O-Durchschnittskonzentration liegt mit einem Wert von 0,28 mg/m³N in einem unbedenklichen Bereich. Zusätzlich wurde der katalytische Einfluss der in diesen Anlagen häufig praktizierten Mitverbrennung von Faserreststoffen aus der Papierherstellung untersucht und ermittelt, dass hierdurch durchschnittlich die NO-Konzentration um 15 % und die NO2-Konzentration um 25 % steigen. Neben den stattfindenden Abbaureaktionen zu gasförmigen Verbindungen wurden auch die Ausschleusung von festen Stickstoffverbindungen bzw. –salzen analysiert, deren Anteil an den Output-Stickstofffrachten mit 0,14 % allerdings vernachlässigbar gering ist. Um die Auswirkungen von Veränderungen bei der Betriebsführung und deren Einfluss auf die Zusammensetzung des Reingases zu simulieren, wurden die ermittelten Zusammenhänge in einem Simulationsmodell abgebildet. Hiermit konnte gezeigt werden, dass die Verbrennungsreaktionen temporär unterstöchiometrisch ablaufen und es deshalb unter anderem zur nennenswerten Bildung von Ammoniak kommt (der Maximalwert lag während der Versuchsreihen bei 24,3 mg/m³N), die letztlich zur Überschreitung des Halbstundenmittelwertes von 15 mg/m³N führt. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen konnten schließlich Maßnahmen (Bypassführung der Sekundärluftzufuhr, Modifikation der SNCR-Anlage) zur Vermeidung von Emissionsspitzen abgeleitet und im praktischen Betrieb umgesetzt werden. Dadurch können an der Referenzanlage Ammoniakspitzen zuverlässig vermieden und der Halbstundenmittelwert der Vergleichsanlage für NOX von 150 mg/m³N sicher eingehalten werden. Das vergleichbare Verhalten der beiden untersuchten Anlagen im Hinblick auf die Entstehung, den Abbau und die Reduzierung von stickstoffbasierten Emissionen lässt erwarten, dass die stattfindenden Vorgänge an zirkulierenden Wirbelschicht-Verbrennungsanlagen grundsätzlich ähnlich ablaufen. Deshalb sollte in weiteren Untersuchungen geprüft werden, in welchem Umfang durch entsprechende Maßnahmen auch an anderen Anlagen nennenswerte Emissionsminderungen realisiert werden können.	ger
dcterms.abstract	The examination of the formation, behavior and decomposition of nitrogen-based emissions from fluidized bed combustion plants are subject of this thesis. The initial impulse was given by tightened standards (e.g. national legal emission standards for oxides of nitrogen and ammonia as well as specifications from the recently revised BATdocuments). Those led to the research question of how nitrogen-based emissions from fluidized bed combustion plants can be reduced. Methodical approaches such as evaluating the archive data backup, which is available at the reference plant, the development of an online mass balance studies program, empirical series of measurement as well as setting up a program for modelling an simulating the nitrogen emissions generated by the system operation were used. Apart from the well-known temperature dependency of the formation of nitrogen oxides, a strong dependence of the formation reactions of NO, NO2, NH3, HCN and N2O on the predominant partial pressure of oxygen in the main combustion zone could be proven in fullscale at the examined plants. In regards to those parameters, the best choice for the oxygenconcentration could be found at approx. 4.0 vol.-percent, depending on the plant. The highest measured average N2O-concentration of 0.28 mg/m³N at the examined plants can be considered as harmless. Additionally, the catalytic effect of the co-combustion of pulp which is a remaining waste flow from the paper industry, was analyzed and determined. That led to an average increase of 15 % concerning the NO-concentrations and 25 % concerning the NO2-concentrations. Among the occurring decomposition leading to gaseous compounds, the discharge of solid nitrogen-based compounds, or rather salts, was analyzed; however, its share in the output mass flow of nitrogen of 0.14 % is negligible. To simulate the effects of adjustments concerning the operating control and its influence on the composition of the clean gas, the identified correlations were implemented in a simulation model. Herewith it could be proven that the combustion reactions are temporarily running under oxygen deficiency conditions that lead to a noteworthy formation of ammonia (the maximum value during the series of tests was 24.3 mg/m³N), which causes an overstepping of the permitted half hour average of 15 mg/m³N. Based on the gained findings, guidelines for the prevention of emission peaks (such as bypassing the preheating unit for the secondary air and modifying the SNCR-unit) could be devised and realized. Thereby, peak concentrations of ammonia can be reliably avoided and the permitted half hour average for NOX of 15 mg/m³N can be maintained safely. Due to the comparable behavior of both examined plants concerning the formation, the decomposition and the reduction of nitrogen-based emissions, similar occurring proceedings for circulating fluidized bed combustion plants are to be anticipated. Thus, additional investigations are to be conducted to evaluate if similar measures can also lead to a significant reduction of emissions at other plants.	eng
dcterms.accessRights	open access
dcterms.creator	Zeltner, Stefan
dcterms.extent	VII, 139, A 21 Seiten
dcterms.isPartOf	Schriftenreihe des Fachgebietes Abfalltechnik Dissertationen ;; Band 23	ger
dc.contributor.corporatename	Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Bauingenieurwesen und Umweltingenieurwesen	ger
dc.contributor.referee	Urban, Arnd I. (Prof. Dr.)
dc.contributor.referee	Quicker, Peter (Prof. Dr.)
dc.publisher.place	Kassel
dc.relation.isbn	978-3-7376-0868-8
dc.subject.swd	Wirbelschicht	ger
dc.subject.swd	Stickstoffoxide	ger
dc.subject.swd	Distickstoffmonoxid	ger
dc.subject.swd	Müllverbrennung	ger
dc.subject.swd	Emissionsverringerung	ger
dc.type.version	publishedVersion
dcterms.source.series	Schriftenreihe des Fachgebietes Abfalltechnik Dissertationen	ger
dcterms.source.volume	Band 23	ger
kup.iskup	true
kup.price	30,00
kup.series	Schriftenreihe des Fachgebietes Abfalltechnik Dissertationen
kup.subject	Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin
kup.typ	Dissertation
kup.institution	FB 14 / Bauingenieur- und Umweltingenieurwesen