Stand der Technik und Entwicklungspotential von ... · 661 Stand der Technik und Entwicklungspotential von Katalysatoren für SCR-Verfahren durch die nunmehr ein zusätzliches Potential

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Stand der Technik und Entwicklungspotential von Katalysatoren für SCR-Verfahren


bei Abfallverbrennungsanlagen

Wolfgang Schüttenhelm

1. Kriterien zur Verfahrenswahl SCR/SNCR .....................................................659

2. SCR-Anlagenkonzepte .....................................................................................660

3. Auswahl von SCR-Katalysatoren ....................................................................661

4. Einsatzbeispiele .................................................................................................665

4.1. Rohgasschaltung – Brescia (Italien) ...............................................................665

4.2. Reingasschaltung – Abfallverbrennung Kristiansand (Norwegen) ............666

4.3. Reingasschaltung – Abfallverbrennungsanlage EVI Europark (Deutschland) ....................................................................................................668

5. Zusammenfassung ............................................................................................670

6. Quelle ..................................................................................................................671

Seit der Einführung der strengen Grenzwerte der 17. BImSchV in Deutschland muss das Abgas einer Verbrennungsanlage mit Hilfe einer Entstickungsstufe behandelt werden. Grundsätzlich kann die Minderung von Stickoxiden auf den heutigen Grenzwert von 200 mg/Nm3 nichtkatalytisch (SNCR – Selective Non-Catalytical Reduction) oder als kata-lytische Entstickung (SCR – Selective Catalytic Reduction) erfolgen. Die höchsten NOx-Abscheidegrade werden mit der SCR Technologie erreicht. Zusätzlich kann der Katalysator für eine gleichzeitige Dioxin- und Furanzerstörung ausgelegt werden. Beide Verfahren SCR und SNCR finden in Deutschland Anwendung, wobei deren Auswahl je nach Anlagenkon-zept und lokalen Anforderungen erfolgte. Auch in vielen anderen euro päischen Ländern sind SCR Anlagen installiert oder in Planung, somit ist die SCR Stand der Technik.

Durch die geplante Reduktion des NOx-Grenzwertes auf 100 mg/Nm3 für deutsche Verbren-nungsanlagen gewinnt die SCR-Technologie zunehmend an Bedeutung. Im Rahmen dieses Vortrages wird daher auf den Stand und neueste Trends im Bereich der SCR-Konzeptionen und von SCR-Katalysatoren eingegangen. Anlagenbeispiele mit High-Dust SCR und Niedertemperatur-SCR werden zudem vorgestellt.

1. Kriterien zur Verfahrenswahl SCR/SNCRAufgrund der geringeren Investitionskosten wurden in der Vergangenheit die Mehrzahl der neuen Abfall-, Biomasse- und auch Ersatzbrennstoff verbrennungsanlagen mit SNCR geplant. Der heutige gesetzliche Grenzwert wird mit dieser Technik erreicht. Allerdings


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führen neue strengere Grenzwerte, heizwertreichere Brennstoffe und geänderte Anfor-derungen an Reststoffe zu erhöhten Anforderungen an die NOx-Abscheidung bzw. NH3-Schlupf minderung und somit zu einem vermehrten Einsatz der SCR-Technologie.

Neuere SCR Konzepte erlauben zudem, auf die Aufheizung der Abgase zu verzichten und sogar über nachgeschaltete Abgaskühler die Abgasverluste zu senken. Kostennachteile der SCR Technologie gegenüber der nichtkatalytischen Entstickung werden somit minimiert. Dazu kommen der geringere Ammoniakverbrauch und Ammoniakemissionen. Selbst bei sehr hohen NOx-Abscheideleistungen von mehr als 90 % wird bei der SCR lediglich der stöchiometrisch notwendige Bedarf an Reaktionsmittel für die Abscheidung am Katalysator benötigt. Bei der SCR wird der Katalysator entsprechend dem erlaubten Schlupf ausgelegt. Ein typischer Auslegungswert beträgt 5 mg/Nm3, der erst bei Ende der Katalysator lebenszeit nach mehreren Jahren erreicht wird. Da auch Ammoniak zu den Klimagasen gehört, bietet die SCR Technik hier die umweltfreundlichere Lösung. Ein detaillierterer Vergleich beider Technologien ist in [1] zu finden.

In einigen Ländern Europas wie z.B. Schweden und Norwegen wurden Steuervorteile für eine höhere NOx-Minderung etabliert, die als Kompensation der Mehrinvestitionen dienen und die Attraktivität der SCR erhöhen.

Aus der Gesamtheit der Kriterien ist für jeden speziellen Fall die Entscheidung SNCR oder SCR anhand der benötigten Abscheideleistung und der Gesamtkosten zu treffen. Auch eine Kom bination beider Verfahren ist denkbar, bei der der Katalysator im Wesentlichen genutzt wird, um den Ammoniakschlupf abzubauen.

2. SCR-AnlagenkonzepteDie Anordnung der SCR in die Verfahrenskette einer Abgasreinigung kann prinzipiell als Rohgas- und Reingasschaltung erfolgen. Hier unterscheidet man Rohgasschaltungen (Bild 1) ohne und nach Entstaubung sowie Reingas schaltungen (Tail-end) bei hoher Temperatur (260 °C – 320 °C), ggf. kombiniert mit gleichzeitiger Dioxin- und Furanzerstörung und Nieder tempe ratur-SCR (160 °C– 240 °C, Bild 2).

SCR nach Elektro-Filter~ 280 °C

~ 280 °C

Katalysator: Platte oder Wabe

Katalysator: Platte

High-Dust SCR

KesselElektro-

Filter SCREcono-miser

Abgas-reinigung

Kessel SCREcono-miser

Abgas-reinigung

Bild 1: Rohgas-SCR-Varianten

Dabei ist die High-Dust Schaltung aus dem Kohlekraftwerksbereich bekannt und bisher im Abfallverbrennungsbereich aufgrund der erhöhten Vergiftungsgefahr des Katalysators kaum angewendet. Johnson Matthey Catalysts hat spezielle Plattenkatalysatoren entwickelt,

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durch die nunmehr ein zusätzliches Potential der kostengünstigen Anordnung der SCR im Kesselbereich existiert. Die Rohgas-SCR hinter E-Filter ist eine bereits öfter eingesetzte Variante, hier sind Anlagen insbesondere in der Schweiz, Deutschland und Frankreich seit mehreren Jahren in Betrieb.Neben den Anlagenkonzepten ist auf die Auswahl des geeigneten Katalysators zu achten. Insbesondere für die Rohgasschaltungen haben sich Plattenkatalysatoren gegenüber den bisher üblicherweise verwendeten Wabenkatalysatoren als deutlich überlegen gezeigt.Im Kapitel 4 wird auf die Anforderungen und Vor- und Nachteile der Katalysator typen sowie deren Einfluss auf das SCR-Design eingegangen.Als Tail-end SCR kann eine SCR auch mit weit abgesenkter Temperatur von bis zu 180 °C in Kombination mit einer trockenen oder halbtrockenen Abgasreinigung betrieben werden. Es kann allerdings erforderlich sein, den Katalysator von Zeit zu Zeit thermisch zu rege-nerieren, um eine längere Katalysatorstandzeit zu erreichen. Bei Niedertemperatur-SCR Anlagen sollte zur Regene ration ein zusätz licher Brenner vor SCR installiert werden, bei Hochtemperatur anwendungen im Reingas geschieht die Aufheizung ohnehin bereits mit einem Brenner.

Bild 2: SCR-Schaltung hinter einer trockenen Abgasreinigung mit NaHCO3

3. Auswahl von SCR-KatalysatorenNachdem in der Mehrzahl der bisher realisierten SCR-Anlagen, die als Tail-end Schaltung im Reingas angeordnet sind, vollextrudierte Wabenkatalysatoren installiert wurden, hat Johnson Matthey Catalysts spezielle Plattenkatalysatoren entwickelt, die die kosten günstigen Anordnung der SCR im Kesselbereich gestatten. Bei Rohgas-SCR Anlagen hinter E-Filter ist ebenfalls darauf zu achten, dass der Staub, insbesondere der Feinststaub, soweit wie möglich im vorgeschalteten Filter abgeschieden wird. Auch für diesen Einsatzfall haben sich Platten katalysatoren gegenüber Wabenkatalysatoren als hinsichtlich Ver schmutzung- und Deaktivie rungs gefahr überlegen gezeigt.Wabenkatalysatoren sind vollkeramische Körper mit quadratischen Strömungskanälen. Waben katalysatoren zeichnen sich durch eine hohe spezifische Oberfläche aus. Dies ge-währleistet insbesondere bei geringen Staubgehalten ein geringes Katalysatorvolumen und eine damit besonders kompakte Bauweise des SCR.Plattenkatalysatoren bestehen aus den katalytisch aktiven Materialien Titanoxid, Vanadin-oxiden und Wolfram- oder Molybdänoxiden, die auf einen Edelstahlgrundträger aufge-bracht sind. Die einzelnen, beschichteten Katalysatorplatten werden in einem Elementkasten

170-200 °C 180-230 °C

Gewebe-filter SCRAbgas

NaHCO3

AktivkohleNH4OH

Flugstaub

optionalDampf-

Gasvorwärmer

optionalRegenerier-

brenner

optionalAbgaskühler

Saug-zug

Erdgas Luft


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installiert. In einem Stahlrahmen werden die Elementkästen zu Modulen zusammengefasst. SINOx-Platten katalysatoren zeichnen sich durch eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Wabenkatalysatoren aus. Bedingt durch ihren Aufbau zeigen sie deutlich geringere Verstopfungsneigung, geringen Druckverlust und eine außerordentlich hohe Erosionsfestigkeit. Hieraus resultieren hohe Standzeiten bei optimaler Leistung und eine Minimierung der anfallenden Betriebskosten. Bild 3 zeigt die prin zipiellen Vor- und Nach-teile von Platten- und Wabenkatalysatoren.

Wabenkatalysator (Honeycomb)• hohespezifischeOberfläche• hoheAktivitätinlow-dustAbgasen (geringesKatalysatorvolumen)• Druckverlustoptimiert• LängeundAnzahlderZellenvariabel (~6bis300Zellenjesquareinch)

Plattenkatalysator• variablerPitch• minimaleStaubablagerungen• hoheErosionsbeständigkeit• geringereVergiftungsgefahr• niedrigerDruckverlust• größererfreierQuerschnitt undvariableHöhe

Bild 3: Vergleich Platten- und Wabenkatalysatoren

Die klassische SCR-Schaltung für Abfallverbrennungsanlagen ist die Tail-end Anordnung. Da in der vorgeschalteten Abgasreinigung staub- und gasförmig vorliegende Schwermetalle aus dem Abgas entfernt wurden, besitzt der Katalysator eine sehr lange Standzeit, sofern er mit einer genügend hohen Temperatur betrieben wird. Um das Katalysatorvolumen und damit auch die Reaktorgröße zu minimieren, wählt man hier Wabenkatalysatoren.

Wie erwähnt, haben sich auch im Falle von SCR Installationen im heißen Bereich hinter Elektrofilter Plattenkatalysatoren bestens bewährt. Grund dafür ist unter anderem ein Selbst reinigungseffekt der flexiblen Platten gegenüber den starren Wänden von Waben-kataly satoren. Bild 4 zeigt den strukturellen Aufbau beider Katalysatortypen bei gleichem Pitch. Der größere freie Querschnitt des Platten katalysators insbesondere vermindert Ablage rungen auch bei kritischen Stäuben.

Die geeignete Temperatur zur Entstickung hängt stark von der im Abgas vorliegenden SO2 und SO3 Konzentration ab (Bild 5). Bei zu geringer Betriebstemperatur des Katalysators und gleichzeitig zu hoher SOx-Konzentration besteht die Gefahr der Bildung von Ammonium-sulfatsalzen, die sich auf der Katalysatoroberfläche niederschlagen und dessen Aktivität herabsetzen, siehe auch Gleichungen (1 – 3).

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SO2 + 0,5 O2 <––> SO3 (1)

H2O(g) + SO3(g) + NH3(g) <––> NH4HSO4(s) (2)

H2O(g) + SO3(g) + 2 NH3(g) <––> (NH4)2SO4(s) (3)

Im Rohgas einer Abfallverbrennung sind daher Temperaturen von etwa 280 °C erforderlich, um Ammonium-Versalzung des Katalysators zu minimieren. Höhere Temperaturen sind allerdings aufgrund der Gefahr der Schwermetallvergiftung zu vermeiden, welches über eine entsprechende Kesselauslegung geschehen kann.

Im Reingas einer Abfallverbrennung hängt die Betriebstemperatur von der Art und Güte der SO2- und SO3-Abscheidung der vorgeschalteten Abgasreinigung ab. Sofern diese aus E-Filter und Nasswäschern besteht, bei der aufgrund von Aerosolbildung etwa 3 – 10 mg/Nm3 SO3 im Abgas vorliegen können, muss die Hochtemperaturvariante gewählt werden, um Katalysatorversalzung zu vermeiden. Bei der SCR vorgeschalteten Aktivkoksfiltern, Flugstromgewebefiltern aber auch halbtrockenen oder trockenen Abgasreinigungsver-fahren wird SO3 im wesentlichen durch Reaktion oder Absorption quantitativ am Filter abgeschieden, so dass die Rest-SO2 Konzentration für die Festlegung der SCR-Temperatur und somit für die Katalysatorauslegung relevant ist. Durch die Weiterentwicklung kalkba-sierter Absorptionsverfahren gelingt es, durch die Aufheizung des Abgases mit Hilfe von Gas-Gas-Wärmetauscher und Dagavo (dampfb eheizter Gasvorwärmer), bei Temperaturen von 220 – 240 °C eine SCR sicher zu betreiben. Der Gas-Gas-Wärmetauscher wird dabei komplett aus kostengünstigem Kohlenstoffstahl ausgeführt, da sich quasi kein SO3 mehr im Abgas befindet. Die durch den Dampf zugeführte Wärme kann in einem nachgeschalteten Abgaskühler wieder zurückgewonnen werden, indem durch Abkühlung des Abgases z.B. Kondensat erwärmt oder Fernwärme erzeugt wird.

Reizvoll ist auch die Kombination einer trockenen Abgasreinigung mit dem Adsorptions-mittel Natriumbicarbonat oder hochaktiven Kalkprodukten, die bei etwa 200 °C be trie ben werden kann. Je nach Rest-SO2-Konzentration kann die SCR ohne Aufheizung oder mit geringer Aufheizung (220 – 240 °C) betrieben werden, in einem nachgeschalteten ECO kann die Abgastemperatur bis auf etwa 140 °C abgekühlt werden, um Kesselspeisewasser vorzuwärmen und somit den Wirkungsgrad der Kesselanlage zu erhöhen. Bild 2 zeigt den schematischen Aufbau dieser Schaltung mit den verfügbaren Optionen, die je nach vorheriger SO2-Abscheidung und projektspezifischer Anforderungen auszuwählen sind.

Bild 4: Struktur von Plattenkatalysator (links) und Wabenkatalysator (rechts)


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SCR-Anlagen hinter Aktivkoksfiltern oder als Polizeifilter geschalteten Flugstromgewebe-filtern kann die Betriebstemperatur der SCR sogar noch weiter auf 170 – 190 °C abgesenkt werden, ohne dass eine Versalzung den langzeitigen Betrieb des Katalysators gefährdet.

300

280

260

240

220

200

180

1600,1 1 10 100 1.000

SO2 /(100•SO3)-Konzentration mg/Nm3

Temperatur°C

Betriebsbereich SCR

Bereich der AmmoniumsalzbildungBereich der Ammoniumsalzbildung

Bild 5: Empfohlene SCR-Betriebstemperatur in Abhängigkeit des SO2- und SO3-Gehaltes

Alternativ kann die SCR auch jeweils mit geringerer Temperatur betrieben werden, sollte dann aber von Zeit zu Zeit thermisch regeneriert werden, um eine längere Katalysator-standzeit zu erreichen. Bei Niedertemperatur-SCR Anlagen hinter trockenen oder quasi-trockenen Abgas reinigungen wird eine Versalzung des Katalysators mit Ammoniumsalzen in vielen Fällen bewusst in Kauf ge nommen, um Additiv- und Reststoffkosten zu minimie-ren. Dabei kommt es zu einer Ver stopfung der Katalysatorporen durch Kapillarkondensation und somit zu einer Deaktivierung des Katalysators (Bild 6).

Bild 6:

Prinzip Mikroporen-Verstop-fung durch Feinpartikel und/oder Ammoniumsulfat

Generell ist die Versalzung von Katalysatoren durch Ammoniumsulfat und Ammonium-bisulfat thermisch reversibel. Allerdings müssen über längere Zeit Temperaturen von mehr als 300 °C gefahren werden, empfohlen sind 320 – 350 °C, damit die Regeneration, d.h. die Zersetzung der Ammoniumsalze aus reichend schnell erfolgt. Je nach Regenerationsbe-dingungen und Beladung kann dabei die Anfangsaktivität des Katalysators im günstigsten Fall wieder erreicht werden.

Verstopfung:mikroskopische Blockierung des Porensystems durch kleine Flugaschepartikel

kleine FlugaschepartikelKatalysator-oberfläche

Porensystem

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4. EinsatzbeispieleWie bekannt, handelt es sich bei der SCR-Technologie um ein erprobtes Verfahren. Neuere Entwicklungen wie der Einsatz im Rohgasbereich, Absenkung der Betriebstemperatur oder die Auslegung auf niedrigste Reingaswerte sind neuere Tendenzen bzw. Entwicklungen und resul tieren aus dem Bestreben, die Kosteneffizienz der Gesamtanlage zu steigern. Der Einsatz dieser Prozesse wurde durch die Entwicklung von hochaktiven Waben- und Plattenkatalysatoren erst ermöglicht.

Beispielhaft werden Erfahrungen mit High-Dust und Tail-end SCR-Anlagen vor gestellt, die von Johnson Matthey Catalysts in den letzten Jahre installiert wurden.

4.1. Rohgasschaltung – Brescia (Italien)ASM Brescia betreibt am Standort in Brescia zwei Linien Abfallverbrennung und eine Linie Biomasseverbrennung. Zur Entstickung wurden zunächst SNCR-Anlagen im Kessel instal-liert. Johnson Matthey Catalysts bekam im März 2005 den Auftrag über eine High-Dust SCR für die erste Abfallverbrennungslinie. Der Auslegungsvolumenstrom beträgt 240.000 Nm3/h, weitere Auslegungsbedingungen und die erreichten Garantiewerte sind in Tabelle 1 dar-gestellt. Dabei werden reingasseitig 50 mg/Nm3 NOx eingehalten. Die Installation wurde im Juni 2006 erfolgreich in Betrieb genommen. Seitdem wird die SCR in Kombination mit der vorher installierten SNCR betrieben. Aufgrund der guten Performance der Anlage beauftragte der Betreiber 2008 die Lieferung von Komponenten und Katalysatoren für die zweite Abfall ver brennungs linie sowie eine Biomasseverbrennungslinie. Mittlerweile erfolgte auch eine erste Nachladung der ersten Linie.

Tabelle 1: Auslegungsdaten der SCR Brescia

Auslegungsbedingungen des Katalysators Einheit Brescia Linie 1

Volumenstrom Nm3/h 240.000

Abgastemperatur °C 295

Feuchte % 19

O2, feucht % 8,9

O2, Referenz % 11

NOx vor SINOx-Kat tr., ref. O2 mg/Nm3 90

NH3 (von SNCR) tr., ref. O2 mg/Nm3 10 – 30

SO2 tr., ref. O2 mg/Nm3 50 – 110

Staub tr., ref. O2 mg/Nm3 2.100 – 3.700

SO2-Konversion % < 1

Garantiewerte

NOx tr., ref. O2 mg/Nm3 max. 50

NH3-Schlupf tr., ref. O2 mg/Nm3 max. 5

Druckverlust/Katalysatorlage mbar max. 2

belegte Katalysatorlagen n ° 1

Die Anordnung der SCR-Anlage ist Bild 7 zu entnehmen, die zwischen einem absteigenden und aufsteigenden Economizer-Zug installiert wurde. Der Verbindungskanal zwischen beiden Economizern dient nun als SCR-Bypass. Aufgrund des Kundenwunsches wurde die SCR so konzipiert, dass sie auch ohne die vorgeschaltete SNCR betrieben werden kann


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bzw. auch weiterer Katalysator zur Verlängerung der Lebenszeit oder erhöhter Abscheidung nachgerüstet werden kann. Im aufsteigenden Abgaskanal vor der SCR ist Platz für eine Eindüsung von Ammoniakwasser vorgesehen, zwei statische Mischer wurden installiert.

Als Katalysator wurde der SINOx Plattenkatalysator SP 354 mit einem Pitch von 5,6 mm ausgewählt. Der Katalysator ist so ausgelegt, dass durch Nachrüstung zweier weiterer Katalysatorebenen eine NOx-Abscheidung von 85 % über die SCR erreicht wird. Mit Druckluft betriebene Rußbläser sorgen für die Abreinigung der Katalysatoroberfläche, um dort Ablagerungen von Stäuben zu minimieren. Bild 7 zeigt die Plattenkatalysatoren ablagerungsfrei nach einem halben Jahr Betrieb.

Rohgas vomHorizontalzugdes Kessels

370-400 °C

275-295 °C

210-220 °C

Economiser 1

Druckluft

Druckluft Abgas zuEconomiser 3und Abgas-reinigung

Katalysator

Mischer 1

Economiser 2

Mischer 2

SCR-Reaktor

NH4OH25 %

Bild 7: Prozessfließbild SCR Brescia

Bild 8: Katalysator der SCR Brescia nach sechs Monaten Betrieb

4.2. Reingasschaltung – Abfallverbrennung Kristiansand (Norwegen)Im November 2007 erhielt Johnson Matthey Catalysts den Auftrag zur Lieferung einer SCR-Anlage für die neue Abfallverbrennung der Stadt Kristiansand. Diese Anlage entstand etwa 5 km nördlich des Stadtzentrums. Die SCR ist einer halbtrockenen Abgasreinigung nach geschaltet, die Kalk als Adsorbens nutzt. Es wurde eine Reingas schaltung aufgrund

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der extrem hohen NOx-Abscheidung und der langen Standzeit gewählt. Die Anlage, die jährlich etwa 120.000 Tonnen Hausmüll und hausmüllartigen Gewerbemüll verbrennen soll, ist in 2010 in Betrieb gegangen.Bild 9 zeigt die gewählte Anlagenschaltung, Tabelle 2 die Auslegungsdaten. Der Volumen-strom am Eintritt der SCR beträgt im Auslegungsfall 128.000 Nm3/h. Der NOx-Reingaswert gemäß der norwegischen Emissionsgesetzgebung, die der EU Directive weitgehend ent-spricht, beträgt 200 mg/Nm3 bei 11 % O2. Allerdings belohnt der norwegische Staat die Unterschreitung von Grenzwerten mit Emissionsgutschriften, so dass als Garantie- und Auslegungswert 25 mg/Nm3 bei 11 % O2 gewählt wurden, was wesentlich zur Wirtschaft-lichkeit der SCR Anlage beiträgt. Im Auslegungslastfall ergibt sich somit eine NOx-Ab-scheidung von mehr als 95 %.Durch Einsatz des Gas-Gas-Wärmetauschers 1 mit vorgeschaltetem Kondensat unterkühler gelingt es, die für die Abgasaufheizung benötigte Dampfmenge zu minimieren. Weiterhin wird die zugeführte Wärme genutzt, um das Abgas mit Hilfe des nachgeschalteten Gas-Gas-Wärmeaustauschers 2 nach Nasswäsche wieder aufzuheizen um die Sichtbarkeit der Abgasfahne am Schornsteinaustritt zu verringern.Der Bypass der Anlage dient ausschließlich zum Anfahren des Systems, um zu gewährleisten, dass nur vorgewärmtes Abgas in den Katalysator gelangt und Taupunktunterschreitungen, die zur Befeuchtung des Kata lysators führen könnten, zu vermeiden. Als Katalysator wird hier ein Wabenkatalysator mit hoher spezifischer Oberfläche eingesetzt, da der Staub gehalt aufgrund des vorgeschalteten Gewebefilters auf sehr geringe Restkon zentrationen vermin-dert wird. Die SCR Temperatur beträgt 240 °C, so dass auch gelegentliche Schwankungen des SO2-Gehaltes nach der halbtrockenen Abgasreinigung die Aktivität des Katalysators nicht durch Ammonium sulfatbeläge vermindern.

Tabelle 2: Rohgasdaten der SCR MVA Kristiansand

Auslegungsbedingungen des Katalysators Einheit MVA Kristiansand



Feuchte % 16

O2, feucht % 9,3

O2, Referenz % 11

NOx vor Kat tr., ref. O2 mg/Nm3 < 600

SO2 tr., ref. O2 mg/Nm3 < 20

Staub tr., ref. O2 mg/Nm3 < 3

Garantiewerte

NOx tr., ref. O2 mg/Nm3 max. 25, nominal 20



Um die hohe NOx-Abscheidung zu gewährleisten, muss die Gleichverteilung von NH3/NOx ausgezeichnet sein. Dies wurde mit Anordnung einer doppelten Lage von statischen Mischern (Bild 10) und Einsatz von Gleichrichtern im Reaktoreintritt erreicht. Die Op-timierung wurde durch umfangreiche Strömungssimulation mit Hilfe von CFD erreicht.Die Anlage zeigt im Betrieb eine ausgezeichnete Performance und erreicht im Mittel Reingas-NOx-Konzentrationen von lediglich 15 mg/Nm3 bei minimalem NH3 Schlupf, was einer Ab scheidung von bis zu 97,5 % entspricht.


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Bild 10: Parmix statische Mischer und Anordnung nach Ammoniakeindüsung

4.3. Reingasschaltung – Abfallverbrennungsanlage EVI Europark (Deutschland)

Als letztes Beispiel sei das Konzept einer Niedertemperatur-SCR nach einer trockenen Abgasreinigunganlage dargestellt. In diesem Fall wird als Adsorbens zur Abscheidung der sauren Schadgase HCl, HF, SO2 und SO3 Natriumbicarbonat (NaHCO3) verwendet.

Bild 9: Prozessfließbild SCR Abfallverbrennung Kristiansand (Norwegen)

Rohgas vonhalbtrockenerAbgasreinigung

240-250 °C

155-160 °C

Dampf-Gasvorwärmer

Kondensat

Hochdruck-Dampf

Katalysator

Reingas zumGas-Gas-Wärme-tauscher 2 undNasswäscher

Gas-Gas-Wärme-tauscher 1

SCR-Reaktor

Mischer 1

Mischer 2

130-140 °C

Druckluft

NH4OH

Leitbleche

Mischer

Mischer

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Johnson Matthey Catalysts bekam im Herbst 2006 den Auftrag zur Lieferung zweier SINOx Nieder temperatur-SCR für die neue Abfallverbrennungsanlage des Betreibers EVI, die im Europark in Emlichheim und Coevoerden an der deutsch-niederländischen Grenze erbaut wurde. Die Inbetriebnahmen erfolgten 2007 und 2008. Jede der beiden Linien ist für eine Abgasmenge von 180.000 m3/h ausgelegt und die einzuhaltenden Emissionen der der Anlage sind unterhalb der gesetzlichen Grenzwerte festgeschrieben. Die wesentlichen Auslegungsdaten sind Tabelle 3 zu entnehmen.

Tabelle 3: Auslegungsdaten der SCR EVI Europark

Auslegungsbedingungen des Katalysators Einheit EVI Linie 1 und 2



Feuchte % 17

O2, feucht % 8 – 11

O2, Referenz % 11

NOx vor Kat tr., ref. O2 mg/Nm3 < 500

SO2 tr., ref. O2 mg/Nm3 < 10 (Betriebswerte < 5)

Staub tr., ref. O2 mg/Nm3 < 2,5

Garantiewerte

NOx tr., ref. O2 mg/Nm3 max. 70



Gemäß Bild 11 ist die SCR nach einer mehrstufigen trockenen und quasitrockenen Abgas-reinigung bestehend aus Reaktor, Gewebefilter und Eindüsung der Additive Kalzium-hydroxid, Natriumbikarbonat und Herdofenkoks angeordnet. Die SCR wird mit etwa 180 °C bei leichtem Überdruck betrieben, ein Regenerationsbrenner ist vorgeschaltet. Ammoniak-wasser wird über eine Direkteindüsung über Zweistoffdüsen und eine Lage statischer Mischer dem Reaktor zugeführt. Der Katalysator ist als Wabenkatalysator ausgeführt, der in 3 Lagen in der SCR angeordnet ist, die von unten nach oben vertikal durchströmt wird. Somit handelt es sich um eine extrem kompakte und platzsparende Aufstellung, die mit zu der kosteneffizienten Lösung beigetragen hat. Die niedrige SCR Betriebstemperatur wurde gewählt, um eine Wiederaufheizung nach Gewebefilter zu vermeiden. Aufgrund der geringen SO2 und SO3 Eingangskonzentrationen bilden sich störende Ammoniumsalz-beläge nur langsam. Zur Sicherstellung der Verfügbarkeit wurden zusätzlich je Linie ein Regenerationsbrenner installiert, der mit schwefelarmem leichtem Heizöl betrieben wird.

Während der Inbetriebnahme und des anschließenden Optimierungsbetriebes der Anlage kam es zur beschleunigten Deaktivierung des Katalysators durch Ammoniumsulfatsalze. Weiterhin stellte sich heraus, dass die Regenerationsbrenner anfangs nicht optimiert waren und stark rußten. Der Ruß belegte den Katalysator und verstopfte auch Waben. Letztendlich mussten die Katalysatoren ausgebaut, gereinigt und extern regeneriert werden. Zusätzlich wurden die Ammoniakeindüsung und die Mischeranordnung modifiziert. Um flexibler auf die schwan kenden Eingangsbedingungen in die SCR reagieren zu können wurden zudem bei jedem Reaktor eine 3. Katalysatorlage ergänzt.

Als wesentliche Erkenntnis sollte der Einsatz von ölbetriebenen Brenner n bei der Planung ähnliche Anlagen überdacht werden. Ein Erdgasbrenner ist insbesondere bei Niedertem-peratur-SCR Schaltungen vorzuziehen. Weiterhin scheiden trockene Abgasreinigungen


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Schadstoff spitzen nur mit sehr hohen Additivmengen ab, so dass ein Regenerationsbrenner zur Mini mierung der Betriebskosten und Maximierung der Verfügbarkeit vorgesehen werden sollte. Die niedrigen verlangten Emissionswerte werden mit dem installierten Prozess sicher eingehalten.

Bild 11: Anordnung der SCR EVI Europark

5. ZusammenfassungDurch die optimale Einbindung der SCR-Technik in das Gesamtanlagenkonzept gelingt eine kosteneffiziente NOx-Abscheidung mit sehr hoher Abscheideleistung bei geringstem Ammoniak schlupf. Dabei sind insbesondere Rohgasschaltungen mit und ohne vorge-schaltetem Elektrofilter sowie nach optimierten modernen trockenen- und halbtrockenen Abgasreinigungsverfahren angeordnete Nieder temperatur-SCR Anlagen der Trend. Die vorliegenden Betriebserfahrungen zeigen, dass die Anwendungsbereiche der SCR in Abfall-, EBS- und Biomasse verbren nungs anlagen deutlich erweitert wurden. Durch nachgeschaltete Wärme rückgewinnung kann der der energetische Wirkungsgrad der Gesamtanlage sogar vergrößert werden.

Im Bereich der Katalysatortechnik hat sich insbesondere gezeigt, dass der SINOx Platten-katalysator aufgrund seiner Robustheit gegen Vergiftung und Ablagerungen von Stäuben besonders für die Rohgasschaltungen geeignet ist, ja diese sogar erst ermöglichen.

Zusammenfassend die Hauptvorteile des katalytischen SCR Prozesses:

• hoheNOx-Abscheidung von mehr als 95 % bei Abfallverbrennungsanlagen,

• KombinationmitDioxin-undFuranabscheidung,0,1ng(TE)/Nm3 werden sicher er-reicht,

• niedrigerAmmoniakschlupf,

• VermeidungderKontaminationvonReststoffenderAbgasreinigung

• anwendbarimlow-dustundhigh-dustBereich,

• SINOxPlattenkatalysatorermöglichtRohgasschaltungundstehtfürniedrigenDruck-verlust, höhere Resistenz gegen Katalysatorgifte und niedrige SO2-Konversionsrate,

170-190 °C ~180 °C

Gewebe-filter SCR

NaHCO3 NH4OH

Reststoff

Brenner Mischer

Katalysator:Wabe

Erdgas Luft

Ventilator

AbsorberZyklon

Flugasche

Kessel

NaHCO3

Ca(OH)2Aktivkohle

Wasser

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• KombinationmithalbtrockenenundtrockenenVerfahrenermöglichtNiedertempe-ratur-SCR,

• keinReststoffimVergleichzuanderenVerfahrenzurDioxinabscheidung,

• geringerWartungsaufwandund

• langeStandzeitendesKatalysators,insbesondereinderReingasschaltung.

Aufgrund dieser Vorteile ist bzw. wird zurzeit bereits eine Vielzahl von neuen Verbren-nungsanlagen mit SCR-Technologie ausgestattet, die somit in vielen Ländern Europas Stand der Technik ist.

6. Quelle[1] Schüttenhelm, W.: SCR-Anwendungen zur Entstickung von Abgasen in Verbrennungsanlagen,

Optimierungen in der thermischen Abfall- und Reststoffbehandlung, Potsdam, 19. - 20. Februar 2009

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