Wir helfen Ihnen, der Umwelt zu helfen!

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1 Wir helfen Ihnen, der Umwelt zu helfen!

2 Wir helfen Ihnen, der Umwelt zu helfen! ENVIROTHERM ein mittelständisches Unternehmen stellt sich vor. 2

3 ENVIROTHERM GmbH wurde 2003 von der Allied Gruppe ( als mittelständisches Ingenieurunternehmen gegründet und bietet weltweit thermische Prozesse (Gaserzeugung aus festen Brennstoffen, Verbrennung in der Wirbelschicht und Entsorgung von Rückständen aus der Vernichtung von Chemiewaffen) sowie Anlagen/Komponenten zur Rauchgasreinigung (Entstaubung/Entstickung) an. In dieser Broschüre handeln wir gezielt den Einsatz von Wabenkatalysatoren für die katalytische Abgasreinigung ab. Produziert werden die Katalysatoren in einem Joint-Venture im chinesischen Chengdu, die Auslieferung erfolgt weltweit. Für die wichtigen Bereiche Kundenberatung und -betreuung sowie für den Vertrieb sitzen Ihre Ansprechpartner in Essen, Nordrhein-Westfalen. Dieser Standort ist auch die Anlaufstelle für weiterführende Informationen und persönliche Gespräche erfolgte der Einstieg in die SCR-Technologie (Selective Catalytic Reduction). Zwei Jahre später wurden bereits die ersten Wabenkatalysatoren zum Abbau von Stickoxiden ausgeliefert fokussierte sich die KWH ganz auf den Bereich SCR und katalytische Dioxinminderung. Seitdem wurden weit über m³ der ZERONOX und ZERONOX D Katalysatoren ausgeliefert. Zum 1. Juli 2001 wurde die KWH von der Allied Gruppe übernommen und firmiert seit 2005 als ENVIROTHERM GmbH. Für die SCR-Katalysatoren führt ENVIROTHERM die lange Tradition der KWH fort. Die Katalysatorproduktion wurde in ein Joint-Venture nach Chengdu, Sichuan Provinz, Volksrepublik China, verlagert und produziert dort seit November 2006 hochwertige SCR-Katalysatoren. Die Produktion wurde 2010 durch den Bau einer zweiten Anlage mit doppelter Kapazität erweitert. Vorläufer der ENVIROTHERM GmbH, ist die KWH-Katalysatorenwerke Hüls GmbH, die bereits 1960 als deutsch-amerikanisches Gemeinschaftsunternehmen zur Entwicklung von Katalysatoren und katalytischen Prozessen gegründet wurde. Das Hauptgeschäftsfeld war frühzeitig mit der Reduktion von Schadstoffen aus Abgasen abgesteckt. 3

4 Unsere Produkte ZERONOX SCR-Katalysatoren zum Abbau von Stickoxiden entfernen selektiv den Schadstoff NO X und minimieren unerwünschte Nebenreaktionen. Im Vergleich zu nicht-katalytischen Verfahren ist der NH 3 -Schlupf deutlich geringer und belastet dadurch weniger die Umwelt. ZERONOX D zur Zerstörung von Dioxinen, Furanen und Stickoxiden werden seit 1994 in einer Vielzahl von Müllverbrennungsanlagen in Europa, Asien und Nordamerika eingesetzt. ZERONOX D Katalysatoren werden vorwiegend für die Dioxinminderung in Verbindung mit der Entstickung verwendet. Unser Service-Angebot Ein umfassender Kundendienst und unsere Serviceleistungen machen uns zu Ihrem kompetenten Partner für die SCR-Technologie und die Dioxinminderung. ENVIROTHERM ist darauf ausgerichtet, kundenspezifische Problemlösungen zu erarbeiten. Unsere Managementsysteme ENVIROTHERM hat ein zertifiziertes Qualitätsmanagementsystem gemäß DIN EN ISO Darüber hinaus verfügt die Produktionsstätte in Chengdu über ein zertifiziertes Umweltmanagementsystem gemäß DIN EN ISO

5 Wirkung der Stickoxide als Luftschadstoffe Bei der Verbrennung fossiler und regenerativer Energieträger wie Kohle, Öl, Gas, Biomasse, Torf, Abfall sowie auch bei anderen thermischen Prozessen entstehen Stickoxide, die allgemein als NO X bezeichnet werden. In der Regel bestehen sie überwiegend aus Stickstoffmonoxid (NO) und zum kleineren Teil aus Stickoxid (NO 2 ). Da diese erwiesenermaßen Umweltund Gesundheitsschäden verursachen, ist die Minderung des NO X -Gehaltes ein wesentlicher Bestandteil einer umweltgerechten Abgasreinigung bei Verbrennungsprozessen. in allen Umweltprogrammen Maßnahmen zur Reduzierung von Stickoxiden vorgesehen. Um dies zu erreichen, bieten sich verschiedene Methoden und Verfahren an, von denen sich das SCR-Verfahren als das wirkungsvollste erwiesen hat. Umsatzraten von bis zu 98 % im Neuzustand konnten großtechnisch realisiert werden. ZERONOX Katalysatoren: Keine Chance für Stickoxide Stickoxide sind unter anderem für die Entstehung des sogenannten Sommersmogs, der vermehrten Entstehung von Ozon in den unteren Luftschichten, sowie für Waldsterben und Gewässerschäden durch sauren Regen und Überdüngung verantwortlich. Weltweit sind daher 5

6 Das SCR-Verfahren zur Minderung von Stickoxiden Durch Einsatz von Ammoniak oder Harnstoff als Reduktionsmittel werden Stickoxide stöchiometrisch zu den in der Atmosphäre natürlich vorkommenden Produkten Stickstoff (N 2 ) und Wasserdampf (H 2 O) umgesetzt. Diffusion Prinzip der selektiven katalytischen Umsetzung von Stickoxiden mit Ammoniak und Sauerstoff 4 NO O 2 4 NH 3 Reaktion 4 N 2 6 H 2 O Diffusion Der überwiegende Anteil der Stickoxide, der in aller Regel als NO vorliegt, wird gemäß nachfolgender Reaktionsgleichung umgesetzt: Adsorption Desorption 4 NO + 4 NH 3 + O 2 4 N H 2 O Katalysator-Oberfläche Quelle: VCI 1987 Grundsätzlich können diese Reaktionen auch ohne Katalysator in einem engen Temperaturfenster um ca. 900 C durchgeführt werden. Dabei wird jedoch ein wesentlicher Anteil des Ammoniaks zu Stickoxiden verbrannt, was die Effizienz hinsichtlich des Ammoniakverbrauchs und des erreichbaren NO X -Umsatzes stark beeinträchtigt. Das SCR-Verfahren ermöglicht die Minderung der Stickoxide, je nach Rauchgasbedingungen und Katalysatortyp, in einem breiten Temperaturfenster zwischen ca. 160 C und knapp 500 C. Dabei erzielt man eine hohe Selektivität bezüglich der Ammoniakumsetzung von nahezu 100 %, und es können NO X -Umsatzraten bis zu 95 % über die gesamte Gewährleistungsdauer erreicht werden. Das SCR-Verfahren ist darüber hinaus bezüglich des Brennstoffeinsatzes und des Lastzustandes der vorgeschalteten Verbrennung extrem flexibel. Mit dem SCR-Verfahren lassen sich die höchsten Minderungsraten aller Entstickungsprozesse auf wirtschaftliche Weise erreichen. Es ist die derzeit bestverfügbare Technik und daher zukunftssicher. Traditionelle Einsatzgebiete der SCR-Technik sind Kraftwerke, Gasturbinen, Müllverbrennungsanlagen, Chemieanlagen, Blockheizkraftwerke und Glaswannen. Zunehmende Anwendung finden SCR-Katalysatoren bei der Verbrennung von Holz und anderen Biomassen, in Zementwerken sowie auch in mobilen und stationären Verbrennungskraftmaschinen einschließlich Dieselmotoren für Schiffe. Die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten und neuen Entwicklungen erfordert Flexibilität und angepasste Technik. ENVIROTHERM löst Abgasprobleme. 6

7 Zusammensetzung und Geometrie des SCR-Katalysators ZERONOX Wabenkörpergeometrie Wandstärke Öffnungsweite Vollkeramisch durchgängig aktive Katalysatoren aus TiO 2, WO 3 und V 2 O 5 Höhe 150 bis 1300 mm Pitch Pitch Öffnungsweite Wandstärke Spez. Oberfläche Kantenlänge 150 mm 3,3 mm 2,85 mm 0,45 mm 1026 m 2 /m 3 3,7 mm 3,09 mm 0,61 mm 879 m 2 /m 3 4,3 mm 3,57 mm 0,66 mm 777 m 2 /m 3 5,0 mm 4,22 mm 0,73 mm 675 m 2 /m 3 6,1 mm 5,11 mm 0,82 mm 568 m 2 /m 3 7,1 mm 6,04 mm 1,01 mm 474 m 2 /m 3 7,4 mm 6,35 mm 1,13 mm 452 m 2 /m 3 7,6 mm 6,64 mm 0,96 mm 472 m 2 /m 3 8,2 mm 7,09 mm 1,20 mm 408 m 2 /m 3 10,0 mm 8,51 mm 1,43 mm 340 m 2 /m 3 11,9 mm 9,89 mm 1,48 mm 297 m 2 /m 3 Basis unserer ZERONOX Katalysatoren ist Titandioxid (TiO 2 ) in der katalytisch aktiven Form des Anatas. Der keramische Wabenkörper mit seiner definierten Porenstruktur besteht zu ca. 80 % aus TiO 2. Dieses Trägermaterial ist säurefest und daher für den Einsatz in sauren Abgasen besonders geeignet. Mit den katalytisch aktivsten Komponenten Vanadiumpentoxid (V 2 O 5 ) und Wolframoxid (WO 3 ) können die katalytischen Eigenschaften anwendungsspezifisch angepasst werden. ZERONOX Katalysatoren sind sogenannte Vollkatalysatoren, d. h. sie bestehen zu 100 % aus katalytisch aktivem Material. Dies, gemeinsam mit der Wabenform, ist die ideale Voraussetzung für den Einsatz auch in staubreichen Abgasen. Der Katalysator lässt sich durch die Wahl der Öffnungsweite der Kanäle ( Pitch ) auf die jeweilige Staubfracht der Abgase abstimmen. Eine Verstopfung der Katalysatorkanäle wird so vermieden. Die Ausführung als Vollkatalysator wirkt außerdem Aktivitätsverlusten entgegen, weil durch geringfügigen Abrieb immer wieder frisches aktives Material an der Katalysatoroberfläche für die NO X -Minderung zur Verfügung steht. Unsere ZERONOX Katalysatoren besitzen einen quadratischen Querschnitt von 150 x 150 mm und sind bis zu einer Länge von 1300 mm lieferbar. Ihre variable Wabenstruktur ergibt sich aus quadratischen Kanälen, die die Katalysatorelemente in Längsrichtung durchziehen. Unsere langjährige Erfahrung bei der anwendungsspezifischen Auswahl der Rezeptur und Geometrie gewährleistet für Sie den optimalen Nutzen unserer Produkte. ZERONOX Katalysatoren geben den Schadstoffen keine Chance! 7

8 Herstellung der ZERONOX Katalysatoren Am Beginn des Produktionsprozesses steht die Titan dioxid- Pulverherstellung nach eigenem Verfahren. Mit diesem Pulver werden dann nach Rezeptur über Mischsysteme die Formmassen geknetet, die einem Extrusionsprozess zugeführt werden. Hier werden die einzelnen Wabenkörper, die sogenannten Katalysator elemente, hergestellt. Es folgt das Trocknen und das Brennen. Die fertigen Katalysatorelemente werden in Stahlrahmen, den Katalysatormodulen, eingebaut. Der modulare Aufbau des Katalysatorsystems mit ZERONOX Standardmäßig befinden sich 72 Katalysatorelemente in einem Katalysatormodul, kundenspezifische Anforderungen können berücksichtigt werden. Die Module weisen eine Grundfläche von ca. 1 m x 2 m auf. Sie gewährleisten einen sicheren Transport der Katalysatoren sowie eine schnelle Montage. Im SCR-Reaktor werden die Module zu Katalysatorlagen zusammengestellt. In der Regel verfügt jede Katalysatorlage über einzelne, zu Testzwecken herausnehmbare Katalysatorelemente. Diese Probeelemente können während der Stillstandzeiten den Reaktoren entnommen werden, um den aktuellen katalytischen und mechanischen Zustand zu ermitteln. Bei staubhaltigen Abgasen hat sich eine vertikale Durchströmung von oben nach unten bewährt. Bei staubarmen Abgasen sind auch horizontale Anordnungen der Module üblich. ZERONOX Katalysatoren: Flexibel einsetzbar durch modularen Aufbau Katalysatorelement Katalysatormodul Katalysatorlage 8

9 Die Schaltungsvarianten der ZERONOX Katalysatoren High-Dust-Schaltung Die High-Dust-Schaltung ist in Steinkohlekraftwerken für den Abbau von Stickoxiden am meisten verbreitet. Der SCR-Reaktor ist direkt nach dem Kessel installiert. Hier liegen in der Regel die für das SCR-Verfahren optimalen Betriebstemperaturen von C vor. Es treten üblicherweise Staubfrachten bis 15 g/m 3 im Rauchgas auf. Bei Verfeuerung von Ballastkohle kann der Staubgehalt auch 50 g/m 3 und mehr betragen. Low-Dust-Rohgasschaltung Bei der Low-Dust-Rohgasschaltung werden die Katalysatoren direkt hinter dem Staubabscheider eingebaut. Die Rauchgastemperaturen reichen dabei meist ohne weitere Aufheizung für die katalytische Reaktion aus. Die weiteren Abgasreinigungselemente, wie z. B. Gaswäscher, sind hinter dem SCR- Reaktor angeordnet. Schematische Darstellung der High-Dust-Schaltung Kessel Reaktor mit ZERONOX Katalysator Filter Schematische Darstellung der Low-Dust-Rohgasschaltung Gaswäsche Kamin Low-Dust-Reingasschaltung Die Low-Dust-Reingasschaltung, auch unter dem Namen Tail-End-Schaltung bekannt, ist besonders bei der Nachrüstung bestehender Müllverbrennungsanlagen eingesetzt worden. Anfänglich wurde sie auch bevorzugt in Steinkohlekraftwerken mit Schmelzkammerfeuerung und Ascherückführung eingesetzt. Da sich bei der Low-Dust-Reingasschaltung der SCR-Reaktor am Ende der Rauchgas-Reinigungsanlage befindet, sind keine Katalysatorgifte mehr im Abgas vorhanden und damit die Lebensdauer der Katalysatoren deutlich erhöht. Allerdings muss das Abgas aufgeheizt werden, weshalb die Ausführung dieser Schaltung aus Kostengründen insbesondere bei Großanlagen nur noch eine unbedeutende Rolle spielt. Kessel Reaktor mit ZERONOX Katalysator Filter Schematische Darstellung der Low-Dust-Reingasschaltung Gaswäsche Kamin Kombi-Katalysatortechnik Eine besondere Anwendungsvariante unserer Katalysatoren ist die Kombi-Katalysatortechnik. Sie bietet für mit mehreren Schadstoffen befrachtete Abgase die Möglichkeit zur gleichzeitigen Minderung von Stickoxiden, Dioxinen und Furanen sowie Kohlenwasserstoffen. Kessel Reaktor mit ZERONOX Katalysator Filter Gaswäsche Wärmetauscher Kamin 9

10 ZERONOX Katalysatoren Auswahl und Auslegung Zunächst wird eine geeignete Schaltungsvariante gewählt. Sie ist von der Rauchgastemperatur und der Rauchgaszusammensetzung abhängig. Daneben spielt das mögliche Vorhandensein von Katalysatorgiften eine Rolle. Die Wahl der Katalysatorgeometrie erfolgt einsatzspezifisch. Dabei ist der Staubgehalt bzw. der maximal tolerierbare Druckverlust im Rauchgas entscheidend, denn die Öffnungsweite beeinflusst den Gesamtdruckverlust des Abgasreinigungssystems und damit Investitions- und Betriebskosten für das Gebläse. Beim Betrieb eines SCR-Reaktors darf die Mindestarbeitstemperatur nicht unterschritten werden. Die Mindestarbeitstemperatur ist dabei diejenige Temperatur, bei deren Unterschreitung mit der Bildung von Ammoniumsalzen auf dem Katalysator gerechnet werden muss. Dieser Vorgang ist abhängig von der SO 3 - und NH 3 -Konzentration in Anwesenheit von Wasser und liegt im Bereich zwischen 160 C und 320 C. Die Ammoniumsalze sind Ammoniumhydrogensulfat NH 4 HSO 4 bzw. Ammoniumsulfat (NH 4 ) 2 SO 4, die gemäß nachfolgenden Reaktionsgleichungen entstehen. Bei NH 3 -Überschuss gilt: 2NH 3 + SO 3 + H 2 O (NH 4 ) 2 SO 4 Bei SO 3 -Überschuss gilt: NH 3 + SO 3 + H 2 O NH 4 HSO 4 Um einen sicheren Betrieb des SCR-Reaktors zu gewährleisten, darf die Mindestarbeitstemperatur nicht auf Dauer unterschritten werden. Die Belegung mit Ammoniumsalzen ist reversibel, d. h., die Katalysatoren können regeneriert werden. Die Bildung von Ammoniumsalzen ist aber nicht die einzige Wirkung von Schwefeloxiden. Druckverlustvergleich für verschiedene Katalysatorgeometrien in Abhängigkeit von der Gasgeschwindigkeit bei gleicher Temperatur Temperatur- und konzentrationsabhängige Bildung von Ammoniumsulfat (NH 4 ) 2 SO 4 und Ammoniumhydrogensulfat NH 4 HSO 4 aus SO 3 und NH 3 bei Normaldruck 8 Druckverlust mbar/m = 4.3 pitch = 7.1 pitch = 10.0 pitch NH 3 Gaskonzentration (vpm) (NH 4 ) 2 SO C NH 4 HSO 4 Quelle: Abfallwirtschaft Januar Strömungsgeschwindigkeit im Kanal m/s SO 3 Gaskonzentration (vpm) 10

11 Bei der Verbrennung schwefelhaltiger Brennstoffe bildet sich zunächst SO 2. Im Brennraum entsteht dann gemäß nachfolgender Reaktion auch ein Anteil an SO 3 : 2 SO 2 + O 2 2 SO 3 Diese Reaktion wird auch als Kesselkonversion bezeich - net. Aus SO 3 entsteht in Verbindung mit Wasser Schwefelsäure H 2 SO 4. Deshalb ist die Bildung von SO 3 wegen möglicher Korrosion bei Unterschreitung des Säuretaupunktes an nachgeschalteten Anlageteilen zu minimieren. Die Entstehung von SO 3 muss daher besonders beachtet werden. Die Konversion von SO 2 zu SO 3 tritt auch in geringem Umfang als Nebenreaktion im SCR-Prozess auf. Sie ist abhängig vom gewählten Katalysatortyp und der Betriebs temperatur. ZERONOX Katalysatoren zeichnen sich durch eine hohe Selektivität aus, d. h. einem hohen NO X -Umsatz bei einer niedrigen SO 2 /SO 3 Konversion. Eine weitere Leitgröße für die Auslegung des Katalysators ist der Ammoniakschlupf. Er bezeichnet die Menge Ammoniak, die den SCR-Reaktor über die Gasphase ohne Reaktion verlässt. Der Ammoniakschlupf bestimmt das Katalysatorvolumen ebenso wie der gewünschte NO X -Abscheidegrad. Am Ende der geplanten Katalysatorbetriebsdauer, d. h. zum Nachrüstungs- oder Austauschtermin, darf der Ammoniakschlupf je nach Anlagentyp üblicherweise 1-10 vpm nicht überschreiten. Die Auswahl des richtigen Katalysators für die jeweilige Anwendung ist eine komplexe Optimierungs aufgabe, bei deren Lösung wir Ihnen gerne behilflich sind. Um die SCR- Reaktoren für Sie nach Ihren individuellen Bedürfnissen auszulegen, benötigen wir Ihre Angaben über die Abgase und die Randbedingungen der Anlage. Ein entsprechendes Datenblatt zur Katalysatoranfrage haben wir für Sie im Internet hinterlegt: ZERONOX Katalysatoren: Die richtige Wahl! Einfluss des Ammoniakschlupfes auf das Katalysatorvolumen Einfluss des NO X -Umsatzes auf das Katalysatorvolumen Katalysatorvolumen Katalysatorvolumen NH 3 -Schlupf (vpm) NO X -Abscheidegrad (%) 11

12 Die Wechselstrategie für ZERONOX Katalysatoren Der Katalysator unterliegt im Betrieb Alterungsprozessen. Der aktuelle Alterungszustand wird durch regelmäßige Begehung und Probenahme ermittelt. Hierdurch kann der optimale Auswechsel- bzw. Nachrüstzeitpunkt für den Katalysator ermittelt werden. Beispiel einer Wechselstrategie für einen SCR-Reaktor mit einer Reaktorgeometrie für 3+1 Katalysatorlagen Katalytisches Potential des Reaktors Zusatzlage IV 1. Wechsel Lage I 2. Wechsel Lage II 3. Wechsel Lage III Welche Restaktivität ein SCR-Reaktor aufweisen muss, ergibt sich aus den gesetzlichen Vorgaben, die aber auch nach dem Prinzip der besten verfügbaren Technik verschärft werden können. Bei einem optimal ausgelegten SCR-Reaktor muss die Restaktivität ausreichen, um bei dem geforderten NO X -Umsatz den maximal zulässigen NH 3 -Schlupf zu unterschreiten. Die Informationen aus den Messungen des NH 3 -Schlupfes, der Reingasdaten und der verbliebenen Restaktivität der Katalysatoren nutzt ENVIROTHERM für Sie, um eine optimale und wirtschaftlich günstigste Wechsel strategie für die einzelnen Katalysatorlagen von SCR-Reaktoren zu ermitteln = Mindestpotential des Reaktors (Auslegung) Betriebszeit (h) Um auch die Restaktivität des Katalysators voll nutzen zu können, sollte bei der Planung des SCR-Reaktors die Möglichkeit des Einbaus zusätzlicher Katalysatorlagen zur Nachrüstung vorgesehen werden. 12

13 Erfahrung und Innovation Hinter zahlreichen Verbrennungs- und Industrieanlagen verschiedenster Art haben unsere ZERONOX Katalysatoren im Dauerbetrieb ihre Zuverlässigkeit bewiesen. Gleichwohl entwickelt ENVIROTHERM seine Katalysatoren stetig weiter und passt sie neuen Einsatzbedingungen an. Neben der Bewertung des Verhaltens unserer Katalysatoren im Rahmen von Lebensdauerüberwachungen erzielt ENVIROTHERM ständig weitere Erkenntnisse aus dem Einsatz der Katalysatoren. Hierzu nutzt ENVIROTHERM auch Katalysatorteststände im Bench- und Microscale- Maßstab mit eignungsgeprüften Analysatoren. ZERONOX Katalysatoren: Kontinuierliche Weiterentwicklung! 13

14 Serviceleistungen rund um den ZERONOX Katalysator Im Rahmen unseres umfangreichen Serviceangebotes bieten wir Ihnen einen Komplettservice rund um den Katalysator. Selbstverständlich können Sie unsere Leistungen auch einzeln anfordern. Unsere Serviceleistungen auf einen Blick: Empfehlung des Katalysatortyps, Berechnung des Katalysatorvolumens und Ermittlung der Basisdaten für die Reaktoroptimierung Hilfe bei der strömungstechnischen Optimierung des Reaktors Montage und Demontage der Katalysatormodule durch Fachpersonal Unterstützung bei der Inbetriebnahme Unterstützung bei Abnahmemessungen Lebensdauerüberwachung und Wechselstrategie Rücknahme gebrauchter Katalysatoren ENVIROTHERM löst Ihre Abgasprobleme 14

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16 ENVIROTHERM GmbH Ruhrallee 185 D Essen info@envirotherm.de Ihre Ansprechpartner: Jürgen Rosenthal +49 (0) Peter Stutz +49 (0)