Senkung stickstoffbasierter Emissionen in Wirbelschichtanlagen durch den Einsatz von Onlinebilanzierungsmethoden

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.