Entwicklung eines hocheffizienten SNCR-Verfahrens mit gestufter Verbrennung für reduzierte NOx- und NH₃-Emissionen an Drehofenanlagen der Zementindustrie mit Vorcalciniertechnik

Das SNCR-Verfahren ist gegenwärtig die verbreitetste Sekundärmaßnahme zur Reduktion von Stickstoffoxiden in deutschen Zementwerken. Damit können zwar derzeitige Emissionsgrenzwerte in der Regel eingehalten werden, die ab 01.01.2019 geplante Verschärfung auf einen Maximalwert von 200 mg/Nm³ stellt die deutsche Zementindustrie jedoch vor eine große Herausforderung. Eine solche Minderung ist zwar theoretisch denkbar, die Betriebserfahrungen zeigen allerdings, dass unter gegenwärtigen Wirkungsgraden das Reduktionsmittel stark überstöchiometrisch eingesetzt werden müsste. Dies verursacht zum einen erhöhte Betriebsmittelkosten und zum anderen unerwünscht hohe Ammoniakemissionen (NH₃-Schlupf).

Das Thema des vorliegenden Forschungsvorhabens knüpfte an die genannte Problematik an, mit dem Ziel, die Anwendung der SNCR-Technik in Vorcalcinieranlagen mit Hilfe von CFD-Simulationen genauer zu beschreiben und mögliche Optimierungspotentiale aufzuzeigen. Zu diesem Zweck wurden zunächst Modelle für die wesentlichen Einzelvorgänge, wie zum Beispiel die Modellierung der SNCR-Chemie sowie die Abbildung der Reduktionsmittelverdampfung, erarbeitet und in eine kommerzielle CFD-Software (ANSYS-FLUENT) implementiert. Die Überprüfung der verwendeten Modelle erfolgte dabei an mehreren experimentellen Aufbauten. Ergänzt wurden die Untersuchungen durch eine Messkampagne an einer industriellen Anlage, durch welche die wesentlichen Randbedingungen bestimmt und ein vertieftes Verständnis des Gesamtprozesses erarbeitet werden konnte. Darauf aufbauend wurden eine CFD-Simulation des Calcinators durchgeführt, die Ergebnisse mit den Messwerten verglichen und Optimierungspunkte aufgezeigt. Die wesentlichen Erkenntnisse der einzelnen Projektabschnitte sind im Folgenden kurz zusammengefasst.

Zur Untersuchung der Interaktion von verdampfenden Tröpfchen und festen Partikeln in einer hochbeladenen Strömung wurde am LEAT ein neuer Prüfstand aufgebaut und betrieben. Die spezifischen Einflüsse des Rohmaterials auf die SNCR-Kinetik wurden am FIZ in einem Modellofen untersucht (siehe Bilder 1 und 2).

Dazu wurden zunächst Referenzversuche mit einer definierten Gasmischung ohne Rohmaterial bei betriebsähnlichen Temperaturen durchgeführt. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse bestätigen die aus der Literatur bekannten, wesentlichen Einflussfaktoren auf die SNCR-Chemie. Die nachfolgenden Versuche in Anwesenheit von Kalkstein haben gezeigt, dass die NOx-Reduktion tendenziell bevorzugt wird. Diese Beobachtungen wurden sowohl bei den Variationen der NH₃-Konzentrationen als auch bei den Variationen der NO-Konzentrationen festgestellt.

Bei den Betriebsmessungen (FIZ) in einem repräsentativen Vorcalcinator wurden umfangreiche Messdaten erhoben, um einerseits die benötigten Randbedingungen für die Simulation der Anlage bereitzustellen und andererseits die Auswirkungen verschiedener Eindüsepositionen auf die NOx- Reduktionsgrade aufzuzeigen.

Dabei zeigte sich, dass die NOx-Emissionen grundsätzlich in allen Versuchseinstellungen auf das Zielniveau von 200 mg/Nm³ abgesenkt werden konnten.

Allerdings machen die deutlichen Unterschiede in Hinblick auf die benötigte Reduktionsmittelmenge anschaulich, dass die Reduktionsgrade stark von der Position der Eindüsung abhängig sind. Ein signifikanter Ammoniakschlupf konnte in allen Versuchseinstellungen nicht festgestellt werden. Bei allen durchgeführten Kurzzeitversuchen lag die NH₃-Emission im Reingas (im Verbundbetrieb) bei ca. 3 mg/Nm³.

Die am LUAT durchgeführte Simulation der industriellen Calcinierungsanlage konnte sowohl die Wechselwirkungen als auch die Praxistauglichkeit der entwickelten Modellansätze verdeutlichen.

Eine Überprüfung der Simulationsergebnisse erfolgt dabei durch die Gegenüberstellung mit den aus den Betriebsmessungen gewonnen Messdaten. Es zeigt sich, dass die Bildung und Reduktion der Stickoxide mit Hilfe mathematischer Simulationswerkzeuge zufriedenstellend beschrieben werden kann. Die Simulationswerkzeuge erlauben auch weitgehende Aussagen über Rauchgasspezies (wie CO, O₂, CO₂) und die Beschreibung von Strömungsvorgängen mit Totzonenausbildungen, wobei letztere zur Optimierung von Eindüsezonen wichtige Aussagen liefern. Es zeigte sich allerdings auch, dass aufgrund der komplexen Raktionsmechanismen extreme Berechnungszeiten und teilweise ein numerisch instabiles Verhalten auftraten.

Weitere numerische Untersuchungen wurden an einem generischen Calcinator, bei dem es sich um eine geometrisch vereinfachte Version des industriellen Calcinators handelt, durchgeführt. Dieser ermöglicht eine deutlich einfachere Interpretation der einzelnen Modellauswirkungen auf das Gesamtsystem, ohne auf die typischen Randbedingungen in einem Calcinator zu verzichten. Eine Parameterstudie der Injektionsorte des Reduktionsmittels, bei der sich teilweise signifikante Unterschiede (Faktor 2,5) im Gesamtreduktionsgrad ergaben, veranschaulicht dabei die Einsatzmöglichkeiten der in diesem Forschungsvorhaben erstellten Werkzeuge und Methoden zur Optimierung des SNCR-Verfahrens in der Zementindustrie.