Zusammenfassung NOx Abscheidung

Alexander Flück
Zusammenfassung NOx Abscheidung
NOx ist ein Stoff, welcher beim Verbrennungsprozess entsteht. Dieses wirkt toxisch auf einen
Menschen und führt zu Reizungen der Schleimhaut. Neben diesem Effekt ist NOx auch ein
entscheidender Stoff bei der Ozonzerstörung in der Stratosphäre, worauf ich aber nicht weiter
eingehen will. NOx darf auf jeden Fall nicht einfach in die Atmosphäre ausgetragen werden und muss
deshalb bei Verbrennungsprozessen in KVA abgefiltert werden.
NOx ist eine Abkürzung für eine Verbindung von einem Stickstoffatom mit einem oder mehreren
Sauerstoffatomen. Bsp. NO, NO2
NOx entsteht durch drei verschiedene Prozesse
-Promptes NOx: Wenn zu wenig Sauerstoff vorhanden ist und der Verbrennungsprozess nicht
vollständig abläuft. (vermeidbar)
-Brennstoff NOx: Stickstoffverbindungen im Brennstoff werden auf oxidiert zu NOx (allein vom
Brennstoff abhängig)
-Thermisches NOx: Bei sehr hohen Temperaturen über 1300 °C wird N2 aus der Luft mit O2
aufoxidiert. (vermeidbar durch bessere Durchlüftung und damit Senkung der Temperatur)
Abbildung 1 NO Entstehung in Abhängigkeit der Temperatur und der verschiedenen Prozesse
Hierfür gibt es viele Möglichkeiten entgegen zu wirken. In der Abfalltechnik unterscheidet man von
Primärer und Sekundärmassnahmen
Primäre Massnahmen
Bei der primären versucht man die Entstehung von NOx soweit wie möglich zu verhindern. Bei den
Sekundären wird das entstandene NOx- Moleküle in unschädliche Stoffe zu zerlegen.
Bei den primären Massnahmen versucht man das Problem im Keim zu ersticken und zwar indem man
den Verbrennungsprozess so gut wie möglich seiner Stöchiometrie nahe bringt wodurch das prompte
NOx verhindert werden kann. Machbar ist dies mit dem Low-NOx Brenner bei Gas und Ölfeuerungen.
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(Hofer, 2005)Grundsätzlich kann man zwischen zwei Methoden noch unterscheiden: Der
Stufenverbrennung und die Rauchgaszirkulation.
Bei der Stufenverbrennung werden zwei verschiedene Brennstoffkonzentrationen angelegt (eine
brennstoffreich die andere brennstoffarm) Es entsteht hierbei eine Vormisch- und
Diffusionsverbrennung, welche den Sauerstoffgehalt näher an den gewünschten stöchiometrischen
Prozess bringen.
Die Rauchgaszirkulation beruht auf der Idee das entstandene Abgas, welches noch einen geringen
Sauerstoffanteil hat, zurück in die Verbrennung zu führen, damit der Sauerstoff völlig verbraucht
wird. Es wird hierbei bei der Zurückführung besonders darauf geachtet, dass der kritische
Randbereich besonders gut mit dem restlichen Gas vermischt wird. Durch Dampfinjektionen kann
dieses Verfahren zusätzlich verbessert werden. Beide Verfahren können zusammen bis zu 90% NOx
reduzieren. (Lemann, 2004/2005)
Sekundäre Massnahmen
Bei den sekundären Massnahmen gibt es verschiedene Möglichkeiten die entstandene NOx
Konzentration in den KVA zu senken und zwar das SCR, SNCR und ERC plus Verfahren.
SNCR (Selective non catalytic reduction)
Chemisch findet immer das Gleiche statt man reduziert mit Hilfe von Ammoniak oder Harnstoff das
NOx. Bei diesem Verfahren, wie der Name schon sagt, wird auf den Katalysator verzichtet, was zur
Folge hat, dass man mit einer höheren Temperatur gearbeitet werden muss. Das Temperaturfenster
von diesem Verfahren liegt zwischen 850 und 1050 °C. Bei diesen Temperaturen entsteht
hauptsächlich Reaktion (1). Übersteigt die Temperatur die 1000 °C so finden die unerwünschten
Reaktionen (2) und (3) überwiegend statt. Unter 850 C findet zwar (1) statt, jedoch nicht genügend
quantitativ. Das grösste Problem an diesem Verfahren ist, dass je tiefer die NOx Endkonzentration
sein muss je mehr Ammoniak muss man einleiten. Bei solch hohen Temperaturen führt dies dazu,
dass der Ammoniak teils nur verbrennt, was zusätzliche Kosten verursacht. Eine Möglichkeit der
Lösung ist mit einer tieferen Temperatur von 650 ˚C zu arbeiten. Zwar wird viel mehr Ammoniak zur
Behandlung benötigt, jedoch verliert man viel weniger Ammoniak bei der Verbrennung. Der übrige
Ammoniak bleibt in Lösung als ionisiertes Ammonium (NH4+), welches wieder zurück gewinnbar ist.
4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
(1)
4NH3 + 5O2 + → 4NO + 6H2O
(2)
4NH3 + 3O2 → N2 6H2O
(3)
SCR (Selective catalytic reduction)
Das erste Verfahren, welches in Japan entwickelt und in den 90er das erste Mal mit Erfolg eingebaut
wurde. Der Vorteil an diesem Verfahren ist, dass es auf viel tiefere NOx Endkonzentrationen
erreichen kann. Durch die immer tieferen Grenzwerte, die von den Staaten auferlegt werden und die
Weiterentwicklung des Verfahrens, wurde das SCR Verfahren ein wesentlicher Bestandteil in der NOx
Reduktion.
Dieses Verfahren nutzt einen Katalysator wie zum Beispiel Titaniumoxid, um bei einem
Temperaturfenster zwischen 180C und 450C genau das gleiche zu machen wie das SNCR Verfahren.
Zusätzlich muss man bei diesem Verfahren darauf achten das keine Katalysatorgifte im zu
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behandelnden Gas sind. Dies setzt eine Vorbehandlung des Gases oder eine Sicherstellung das keine
Katalysatorgifte vorhanden sind voraus. Typische Katalysatorgifte sind: Saure Schadgase und
Schwermetalle. Durch Staub kann der Katalysatore auch verstopft werden.
Zum Verfahren benötigt SCR 2.5-mal weniger Ammoniak, jedoch entstehen zusätzliche Kosten für die
Katalysatorwartung
ERC plus
Hier werden die beiden Verfahren kombiniert.
Kostenentwicklung
Hier spielt die Menge NOx die behandelt werden muss eine entscheidende Rolle. Bis zu einer Menge
von 250 mg/m3 ist der Einsatz von Harnstoff für alle Verfahren am günstigsten. Werden die
Anforderungen grösser als 400 mg/m3 ist das SCR und ERC plus die kostengünstigste Lösung.
In den letzten zehn Jahren war der Grenzwert der Stickstoffemissionsminderung auf < 200mg
NOx/m3, welche wirtschaftlicher mit dem SNCR gemindert werden kann. Die Neufassung (gültig ab
2016)der BimSchV (Bundes-Immissionsschutzverordnung) verlangt aber eine
Stickstoffemissionsminderung von < 100mg NOx/m3. Mit dieser Anforderung sind die Verfahren SCR
sowie ERC plus konkurrenzfähig. Es ist aber nur eine Frage der Zeit bis sie das SNCR Verfahren
ablösen werden .Die Grenzwerte in Europa werden sich im Verlaufe der Zeit mit Sicherheit noch
weiter verschärfen, womit das SNCR Verfahren nicht mehr wirtschaftlich berieben werden kann.
Abbildung 2 Kostenvergleich der verschiedenen NOx Abscheidungsverfahren
Alexander Flück
Bibliography
Hofer, P. (2005). Luftreinhaltung.
Lemann, M. F. (2004/2005). Abfalltechnik. Bern: Peter Lang.