Experimentelle Untersuchungen zur Stickoxidbildung und -minderung bei der Verbrennung von Biomassen und Hausmüll

Diese Arbeit behandelt die Vorgänge der Freisetzung und Umwandlung der Stickstoffspezies aus Festbrennstoffen, um daraus deren Einfluss auf Verfahren zur Reduktion von Stickoxidemissionen (NOx-Emissionen) zu ermitteln.

Hierzu wurden Experimente an einem Flugstromreaktor und an einer großtechnischen Müllverbrennungsanlage durchgeführt. Bei den Versuchen am Flugstromreaktor umfasste die Brennstoffauswahl drei biogene Brennstoffe sowie Steinkohle. Bezüglich der unter-suchten Verfahren zur NOx-Reduktion wurden die Luftstufung, die selektive nicht-katalytische Reduktion (SNCR) und eine Kombination beider Verfahren, die selektive Hoch-Temperatur Reduktion (SHTR), betrachtet. Schwerpunkt der Experimente lag auf der Ermittlung der Verteilung des Brennstoffstickstoffs auf die vorherrschenden gasförmigen Stickstoffspezies Cyanwasserstoff (HCN), Ammoniak (NH3) und Stickstoffmonoxid (NO).

Als geeigneter Parameter zur Bewertung der Funktionalität der gestuften Verbrennung wurde das NO-Reduktionspotential (NRP) eingeführt, das als das Verhältnis der Summe von NH3 und HCN zu NO definiert ist. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass die Luftstufung eine besonders hohe NOx-Minderung erreicht, wenn ein möglichst großer Anteil des Stickstoffs in die Gasphase übergeht und die Stöchiometrie in der Primärzone so gewählt wird, dass das NRP ausreichend hoch ist. Mit der Kombination aus Luftstufung und Reduktionsmitteleindüsung in die unterstöchiometrische Zone (SHTR) kann diese Problematik umgangen werden. Es konnte gezeigt werden, dass die SHTR nur dann eine verbesserte NOx-Reduktion gegenüber der Luftstufung ermöglicht, wenn in der Primärzone ein niedriges NRP vorliegt.

Messungen zur Freisetzung und Umwandlung des Brennstoffstickstoffs bei der Verbrennung von Hausmüll wurden am Kehrichtheizkraftwerk St. Gallen, Schweiz, durchgeführt. Aus den Messungen nahe des Rostes geht hervor, dass das NRP ausreichend hoch ist, sodass mit der SHTR keine weitere NOx-Reduktion zu erwarten ist. Bei leicht gestufter Fahrweise konnte eine deutliche Abhängigkeit der NOx-Emissionen von der Primärstöchiometrie ermittelt werden, wodurch das große Potential zur weiteren NOx-Reduktion mittels der Absenkung der Primärstöchiometrie aufgezeigt wird. Darüber hinaus konnten die Emissionen durch eine optimierte Durchmischung der Rauchgase abgesenkt werden, weshalb neben dem Einfluss der Stöchiometrie auch der Einfluss der Mischung der Rauchgase unmittelbar über dem Brennbett deutlich wurde.