Stand der Technik und Entwicklungspotential von Katalysatoren für SCR-Verfahren bei Abfallverbrennungsanlagen

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1 Stand der Technik und Entwicklungspotential von Katalysatoren für SCR-Verfahren bei Abfallverbrennungsanlagen Wolfgang Schüttenhelm 1. Kriterien zur Verfahrenswahl SCR/SNCR SCR-Anlagenkonzepte Auswahl von SCR-Katalysatoren Einsatzbeispiele Rohgasschaltung Brescia (Italien) Reingasschaltung Abfallverbrennung Kristiansand (Norwegen) Reingasschaltung Abfallverbrennungsanlage EVI Europark (Deutschland) Zusammenfassung Quelle 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/nm 3 nichtkatalytisch (SNCR Selective Non-Catalytical Reduction) oder als katalytische Entstickung (SCR Selective Catalytic Reduction) erfolgen. Die höchsten NO x - 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 Anlagenkonzept 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 NO x -Grenzwertes auf 100 mg/nm 3 für deutsche Verbrennungsanlagen 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/SNCR Aufgrund 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 659

2 Wolfgang Schüttenhelm führen neue strengere Grenzwerte, heizwertreichere Brennstoffe und geänderte Anforderungen an Reststoffe zu erhöhten Anforderungen an die NO x -Abscheidung bzw. NH 3 - 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 NO x -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/nm 3, 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 NO x -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-Anlagenkonzepte Die 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 Kessel Elektro- Filter SCR Economiser Abgasreinigung Katalysator: Platte oder Wabe High-Dust SCR ~ 280 C Kessel SCR Economiser Abgasreinigung Katalysator: Platte 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, 660

3 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 regenerieren, 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. NaHCO 3 Aktivkohle optional Dampf- Gasvorwärmer optional NH 4 OH Regenerierbrenner optional Saugzug Abgaskühler Abgas C C Gewebefilter SCR Flugstaub Erdgas Luft Bild 2: SCR-Schaltung hinter einer trockenen Abgasreinigung mit NaHCO 3 3. Auswahl von SCR-Katalysatoren Nachdem 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 schmutzungund Deaktivie rungs gefahr überlegen gezeigt. Wabenkatalysatoren sind vollkeramische Körper mit quadratischen Strömungskanälen. Waben katalysatoren zeichnen sich durch eine hohe spezifische Oberfläche aus. Dies gewährleistet insbesondere bei geringen Staubgehalten ein geringes Katalysatorvolumen und eine damit besonders kompakte Bauweise des SCR. Plattenkatalysatoren bestehen aus den katalytisch aktiven Materialien Titanoxid, Vanadinoxiden und Wolfram- oder Molybdänoxiden, die auf einen Edelstahlgrundträger aufgebracht sind. Die einzelnen, beschichteten Katalysatorplatten werden in einem Elementkasten 661

4 Wolfgang Schüttenhelm 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 Nachteile von Platten- und Wabenkatalysatoren. Plattenkatalysator variabler Pitch minimale Staubablagerungen hohe Erosionsbeständigkeit geringere Vergiftungsgefahr niedriger Druckverlust größerer freier Querschnitt und variable Höhe Wabenkatalysator (Honeycomb) hohe spezifische Oberfläche hohe Aktivität in low-dust Abgasen (geringes Katalysatorvolumen) Druckverlust optimiert Länge und Anzahl der Zellen variabel (~ 6 bis 300 Zellen je square inch) 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 Wabenkataly 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 SO 2 und SO 3 Konzentration ab (Bild 5). Bei zu geringer Betriebstemperatur des Katalysators und gleichzeitig zu hoher SO x -Konzentration besteht die Gefahr der Bildung von Ammoniumsulfatsalzen, die sich auf der Katalysatoroberfläche niederschlagen und dessen Aktivität herabsetzen, siehe auch Gleichungen (1 3). 662

5 Bild 4: Struktur von Plattenkatalysator (links) und Wabenkatalysator (rechts) SO 2 + 0,5 O 2 < > SO 3 (1) H 2 O (g) + SO 3(g) + NH 3(g) < > NH 4 HSO 4(s) (2) H 2 O (g) + SO 3(g) + 2 NH 3(g) < > (NH 4 ) 2 SO 4(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 SO 2 - und SO 3 -Abscheidung der vorgeschalteten Abgasreinigung ab. Sofern diese aus E- Filter und Nasswäschern besteht, bei der aufgrund von Aerosolbildung etwa 3 10 mg/nm 3 SO 3 im Abgas vorliegen können, muss die Hochtemperaturvariante gewählt werden, um Katalysatorversalzung zu vermeiden. Bei der SCR vorgeschalteten Aktivkoksfiltern, Flugstromgewebefiltern aber auch halbtrockenen oder trockenen Abgasreinigungsverfahren wird SO 3 im wesentlichen durch Reaktion oder Absorption quantitativ am Filter abgeschieden, so dass die Rest-SO 2 Konzentration für die Festlegung der SCR-Temperatur und somit für die Katalysatorauslegung relevant ist. Durch die Weiterentwicklung kalkbasierter Absorptionsverfahren gelingt es, durch die Aufheizung des Abgases mit Hilfe von Gas-Gas-Wärmetauscher und Dagavo (dampfbeheizter Gasvorwärmer), bei Temperaturen von C eine SCR sicher zu betreiben. Der Gas-Gas-Wärmetauscher wird dabei komplett aus kostengünstigem Kohlenstoffstahl ausgeführt, da sich quasi kein SO 3 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 Adsorptionsmittel Natriumbicarbonat oder hochaktiven Kalkprodukten, die bei etwa 200 C be trie ben werden kann. Je nach Rest-SO 2 -Konzentration kann die SCR ohne Aufheizung oder mit geringer Aufheizung ( 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 SO 2 -Abscheidung und projektspezifischer Anforderungen auszuwählen sind. 663

6 Wolfgang Schüttenhelm SCR-Anlagen hinter Aktivkoksfiltern oder als Polizeifilter geschalteten Flugstromgewebefiltern kann die Betriebstemperatur der SCR sogar noch weiter auf C abgesenkt werden, ohne dass eine Versalzung den langzeitigen Betrieb des Katalysators gefährdet. 300 Temperatur C Betriebsbereich SCR Bereich der Ammoniumsalzbildung , SO 2 /(100 SO 3 )-Konzentration mg/nm 3 Bild 5: Empfohlene SCR-Betriebstemperatur in Abhängigkeit des SO 2 - und SO 3 -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 Katalysatorstandzeit zu erreichen. Bei Niedertemperatur-SCR Anlagen hinter trockenen oder quasitrockenen Abgas reinigungen wird eine Versalzung des Katalysators mit Ammoniumsalzen in vielen Fällen bewusst in Kauf ge nommen, um Additiv- und Reststoffkosten zu minimieren. Dabei kommt es zu einer Ver stopfung der Katalysatorporen durch Kapillarkondensation und somit zu einer Deaktivierung des Katalysators (Bild 6). Katalysatoroberfläche Poren system kleine Flugaschepartikel Verstopfung: mikroskopische Blockierung des Porensystems durch kleine Flugaschepartikel Bild 6: Prinzip Mikroporen-Verstopfung durch Feinpartikel und/ oder Ammoniumsulfat Generell ist die Versalzung von Katalysatoren durch Ammoniumsulfat und Ammoniumbisulfat thermisch reversibel. Allerdings müssen über längere Zeit Temperaturen von mehr als 300 C gefahren werden, empfohlen sind C, damit die Regeneration, d.h. die Zersetzung der Ammoniumsalze aus reichend schnell erfolgt. Je nach Regenerationsbedingungen und Beladung kann dabei die Anfangsaktivität des Katalysators im günstigsten Fall wieder erreicht werden. 664

7 4. Einsatzbeispiele Wie 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 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 installiert. Johnson Matthey Catalysts bekam im März 2005 den Auftrag über eine High-Dust SCR für die erste Abfallverbrennungslinie. Der Auslegungsvolumenstrom beträgt Nm 3 /h, weitere Auslegungsbedingungen und die erreichten Garantiewerte sind in Tabelle 1 dargestellt. Dabei werden reingasseitig 50 mg/nm 3 NO x 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 Nm 3 /h Abgastemperatur C 295 Feuchte % 19 O 2, feucht % 8,9 O 2, Referenz % 11 NO x vor SINOx-Kat tr., ref. O 2 mg/nm 3 90 NH 3 (von SNCR) tr., ref. O 2 mg/nm SO 2 tr., ref. O 2 mg/nm Staub tr., ref. O 2 mg/nm SO 2 -Konversion % < 1 Garantiewerte NO x tr., ref. O 2 mg/nm 3 max. 50 NH 3 -Schlupf tr., ref. O 2 mg/nm 3 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 665

8 Wolfgang Schüttenhelm 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 NO x -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 vom Horizontalzug des Kessels C Economiser 1 Druckluft Mischer 2 Abgas zu Economiser 3 und Abgasreinigung SCR- Reaktor Druckluft Katalysator C NH 4 OH 25 % C Mischer 1 Economiser 2 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 666

9 der extrem hohen NO x -Abscheidung und der langen Standzeit gewählt. Die Anlage, die jährlich etwa Tonnen Hausmüll und hausmüllartigen Gewerbemüll verbrennen soll, ist in 2010 in Betrieb gegangen. Bild 9 zeigt die gewählte Anlagenschaltung, Tabelle 2 die Auslegungsdaten. Der Volumenstrom am Eintritt der SCR beträgt im Auslegungsfall Nm 3 /h. Der NO x -Reingaswert gemäß der norwegischen Emissionsgesetzgebung, die der EU Directive weitgehend entspricht, beträgt 200 mg/nm 3 bei 11 % O 2. Allerdings belohnt der norwegische Staat die Unterschreitung von Grenzwerten mit Emissionsgutschriften, so dass als Garantie- und Auslegungswert 25 mg/nm 3 bei 11 % O 2 gewählt wurden, was wesentlich zur Wirtschaftlichkeit der SCR Anlage beiträgt. Im Auslegungslastfall ergibt sich somit eine NO x -Abscheidung 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 vermindert wird. Die SCR Temperatur beträgt 240 C, so dass auch gelegentliche Schwankungen des SO 2 -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 Volumenstrom Nm 3 /h Abgastemperatur C 240 Feuchte % 16 O 2, feucht % 9,3 O 2, Referenz % 11 NO x vor Kat tr., ref. O 2 mg/nm 3 < 600 SO 2 tr., ref. O 2 mg/nm 3 < 20 Staub tr., ref. O 2 mg/nm 3 < 3 Garantiewerte NO x tr., ref. O 2 mg/nm 3 max. 25, nominal 20 NH 3 -Schlupf tr., ref. O 2 mg/nm 3 max. 5 belegte Katalysatorlagen n 2 Um die hohe NO x -Abscheidung zu gewährleisten, muss die Gleichverteilung von NH 3 /NO x ausgezeichnet sein. Dies wurde mit Anordnung einer doppelten Lage von statischen Mischern (Bild 10) und Einsatz von Gleichrichtern im Reaktoreintritt erreicht. Die Optimierung wurde durch umfangreiche Strömungssimulation mit Hilfe von CFD erreicht. Die Anlage zeigt im Betrieb eine ausgezeichnete Performance und erreicht im Mittel Reingas-NO x -Konzentrationen von lediglich 15 mg/nm 3 bei minimalem NH 3 Schlupf, was einer Ab scheidung von bis zu 97,5 % entspricht. 667

10 Wolfgang Schüttenhelm Mischer 2 SCR- Reaktor Druckluft NH 4 OH Mischer C Katalysator Hochdruck- Dampf Rohgas von halbtrockener Abgasreinigung C Kondensat Dampf- Gasvorwärmer Gas-Gas- Wärmetauscher C Reingas zum Gas-Gas-Wärmetauscher 2 und Nasswäscher Bild 9: Prozessfließbild SCR Abfallverbrennung Kristiansand (Norwegen) Leitbleche Mischer Mischer 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, SO 2 und SO 3 Natriumbicarbonat (NaHCO 3 ) verwendet. 668

11 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 Jede der beiden Linien ist für eine Abgasmenge von m 3 /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 Volumenstrom Nm 3 /h Abgastemperatur C 180 Feuchte % 17 O 2, feucht % 8 11 O 2, Referenz % 11 NO x vor Kat tr., ref. O 2 mg/nm 3 < 500 SO 2 tr., ref. O 2 mg/nm 3 < 10 (Betriebswerte < 5) Staub tr., ref. O 2 mg/nm 3 < 2,5 Garantiewerte NO x tr., ref. O 2 mg/nm 3 max. 70 NH 3 -Schlupf tr., ref. O 2 mg/nm 3 max. 30 belegte Katalysatorlagen n 3 Gemäß Bild 11 ist die SCR nach einer mehrstufigen trockenen und quasitrockenen Abgasreinigung bestehend aus Reaktor, Gewebefilter und Eindüsung der Additive Kalziumhydroxid, Natriumbikarbonat und Herdofenkoks angeordnet. Die SCR wird mit etwa 180 C bei leichtem Überdruck betrieben, ein Regenerationsbrenner ist vorgeschaltet. Ammoniakwasser 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 SO 2 und SO 3 Eingangskonzentrationen bilden sich störende Ammoniumsalzbeläge 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 Niedertemperatur-SCR Schaltungen vorzuziehen. Weiterhin scheiden trockene Abgasreinigungen 669

12 Wolfgang Schüttenhelm 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. Ca(OH) 2 Wasser Aktivkohle Ventilator Brenner Mischer NaHCO 3 NaHCO 3 NH 4 OH C ~180 C Kessel Zyklon Absorber Gewebefilter SCR Katalysator: Wabe Flugasche Reststoff Erdgas Luft Bild 11: Anordnung der SCR EVI Europark 5. Zusammenfassung Durch die optimale Einbindung der SCR-Technik in das Gesamtanlagenkonzept gelingt eine kosteneffiziente NO x -Abscheidung mit sehr hoher Abscheideleistung bei geringstem Ammoniak schlupf. Dabei sind insbesondere Rohgasschaltungen mit und ohne vorgeschaltetem 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 Plattenkatalysator 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: hohe NO x -Abscheidung von mehr als 95 % bei Abfallverbrennungsanlagen, Kombination mit Dioxin- und Furanabscheidung, 0,1 ng(te)/nm 3 werden sicher erreicht, niedriger Ammoniakschlupf, Vermeidung der Kontamination von Reststoffen der Abgasreinigung anwendbar im low-dust und high-dust Bereich, SINOx Plattenkatalysator ermöglicht Rohgasschaltung und steht für niedrigen Druckverlust, höhere Resistenz gegen Katalysatorgifte und niedrige SO 2 -Konversionsrate, 670

13 Kombination mit halbtrockenen und trockenen Verfahren ermöglicht Niedertemperatur-SCR, kein Reststoff im Vergleich zu anderen Verfahren zur Dioxinabscheidung, geringer Wartungsaufwand und lange Standzeiten des Katalysators, insbesondere in der Reingasschaltung. Aufgrund dieser Vorteile ist bzw. wird zurzeit bereits eine Vielzahl von neuen Verbrennungsanlagen 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, Februar