Auslegung und Entwicklung von DeNOx-Anlagen

 

Aufgabenstellung

Die Reduzierung der Schadstoffemission von Verbrennungsabgasen ist nicht länger nur ein Fachausdruck aus der Umwelt- und Verfahrenstechnik, sondern hat den Zeitgeist von Politik und Gesellschaft erreicht. Schlagwörter wie Diesel-Gate, Klimakonferenzen und Fahrverbote konfrontieren uns tagtäglich mit dieser Thematik. Die zulässigen Schadstoffgrenzwerte für die umweltschädlichen Nebenprodukte der motorischen Verbrennung, wie z.B. Stickoxide, werden in den nächsten Jahren weiter zu Gunsten der Umwelt verschärft. Neben der Automobilindustrie muss sich vor allem die Kraftwerks- und Anlagenindustrie diesen Herausforderungen stellen. Als ein Verfahren hat sich hier die sogenannte SCR- oder „DeNOx“-Anlage etabliert. In einer SCR-Anlage (selective catalytic reduction) werden die schädlichen Stickoxide (NOx) unter Beimischung von Ammoniak (NH₃) in harmlosen Wasserdampf (H₂O) und Stickstoff (N₂) umgewandelt.

Funktionsweise

Zunächst wird dem Abgas ein Reduktionsmittel (Harnstoff oder Ammoniakwasser) zugemischt. Durch die hohen Temperaturen des Abgases spaltet sich das Reduktionsmittel während der sogenannten Thermolyse in gasförmiges Ammoniak. Dieses muss sich homogen im Abgas verteilen. Anschließend durchströmt das Abgas-Ammoniak-Gemisch einen oder mehrere Katalysatorebenen, in denen die
„Entstickung“ des Abgases durchgeführt wird. Für eine korrekte Funktionalität ist eine gleichmäßige Anströmung des Katalysators von essentieller Bedeutung.

Simulation

Die Gleichverteilung von Strömungsgeschwindigkeit, Temperatur, und NH₃-Konzentration bei Eintritt in den Katalysator bestimmt im hohen Maße die Funktionalität der SCR-Anlage. Die Abweichungen dürfen dabei nur wenige Prozent betragen. Eine solche Feinabstimmung in einer großen Kraftwerksanlage mit zum Teil bis zu 8 – 10 Meter Durchmesser ist über konventionelle Messverfahren nur schwer zu realisieren. Hier bietet die numerische Strömungssimulation einen erheblichen Entwicklungsvorteil. An einem virtuellen Modell kann die Optimierung von z.B. Injektorpositionen oder Einbauten wie Mischer oder Leitbleche effektiv und schnellt durchgeführt werden.
Merkle & Partner hat einen speziellen SCR-Simulations-Baukasten entwickelt, mit dem die Auslegung und Entwicklung von DeNox-Anlagen mit maximaler Effektivität umgesetzt werden kann. Erfolgreiche und bereits in Betrieb genommene Kundenprojekte haben dabei die Ergebnisqualität in vollem Maße bestätigt.

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Was bietet die Simulation

  • Flugbahn der Reduktionsmittel-Tröpfchen inkl. möglichem Wandkontakt
  • Verdampfungsstrecke und Eindringtiefe der Tropfen bei jeweiligen Betriebsbedingungen und gewähltem Reduktionsmittel
  • evaluierte Stoffdaten für Harnstoff und Ammoniakwasser hinsichtlich Verdampfungsverhalten
  • Ermittlung der Vermischungsqualität von NH₃ und Abgas im Laufe der Strömungsstrecke
  • Ermittlung von Geschwindigkeits-, Temperatur- und NH₃-Verteilung bei Eintritt in den Katalysator
  • Evaluierung oder Neuauslegung von Misch-Einheiten
  • Evaluierung oder Neuauslegung von Leitelementen
  • stetige Kontrolle des resultierenden Druckverlusts der DeNox-Anlage
  • modularer Simulationsbaukasten für effektive Parameter-Untersuchung bei der Optimierung und Auslegung von Injektorpositionen, Mischer und Leitelementen
  • maximale Prozess-Stabilität und Effektivität, Ergebnisse im Stundenrhythmus

 

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