NOx-Minderungs- und Entfernungssysteme

Bei Condorchem Envitech entwerfen und fertigen wir Systeme und Technologien zur Entfernung oder Minderung von NOx-Emissionen. Die am häufigsten verwendeten Technologien zur NOx-Entfernung sind:

• Absorption durch chemische Reaktion
• Selektive nicht-katalytische Reduktion (SNCR)
• Reduktion durch eine selektive katalytische chemische Reaktion (SCR)

Neben diesen Technologien haben wir ein patentiertes Verfahren entwickelt, genannt DeNOx^®, das signifikant verbesserte Ergebnisse bei der Entfernung oder Minderung von NOx-Emissionen gezeigt hat.

Das DeNOx^®-Verfahren ahmt die natürlichen Selbstreinigungsmechanismen der Atmosphäre selbst nach, durch eine kontrollierte Kombination von NOx-Emissionen mit Wasserdampf, Ozon und ultravioletter Strahlung. Dieses elegant einfache Verfahren garantiert, dass die NOx-Behandlung hochwirksam ist und hohe Effizienz mit einem robusten und zuverlässigen Betrieb kombiniert.

Die Hauptvorteile des DeNOx^®-Verfahrens gegenüber konventionellen Alternativen sind:

• NO_X-Entfernungsraten von über 99 %.
• Umwandlung von Abfällen in wiederverwendbare Rohstoffe im Prozess der solarthermischen Energiespeicherung.
• Keine Erzeugung von chemischen Abfällen.
• Keine gefährlichen Verbindungen in den atmosphärischen Emissionen.
• Nachahmung des natürlichen atmosphärischen Selbstregenerationsmechanismus.
• Einfacher und zuverlässiger Betrieb.
• Vollautomatisierter und robuster Betriebsprozess.

Das DeNOx^®-Verfahren, patentiert von Condorchem Envitech, wurde ursprünglich für die Behandlung der Emissionen von solarthermischen Kraftwerken konzipiert, indem die NOx-Schadstoffe in Produkte umgewandelt werden, die im solarthermischen Anlagenprozess wiederverwendet werden.

In einer solarthermischen Anlage wird Sonnenlicht durch Spiegel in einem Kollektor konzentriert, der Temperaturen von bis zu 1.000 °C erreicht. Diese Wärme wird genutzt, um eine Flüssigkeit zu erhitzen und Dampf zu erzeugen, der eine Turbine antreibt, um Strom zu erzeugen. Obwohl die ersten Kraftwerke nur während der Sonnenstunden betrieben werden konnten, ist es heute möglich, die Wärme zu speichern, um nachts Strom zu produzieren.

Die aus der Sonnenstrahlung gewonnene Energie wird in Salzen gespeichert, einer Mischung aus Natriumnitrat und Kaliumnitrat, die einen geeigneten Schmelzpunkt haben. Sie befinden sich in einem flüssigen Zustand, wofür eine Temperatur von 280 °C erforderlich ist. Die flüssigen Salze werden auf eine Temperatur von 565 °C erhitzt, bei der sie gespeichert werden. Die Innovation besteht darin, dass die Stromerzeugung vom Niveau der gespeicherten heißen Salze und nicht von der Sonnenstrahlung abhängt. Zur Stromerzeugung werden die heißen Salze verwendet, um in einem Wärmetauscher Wasser zu erhitzen und Dampf bei 540 °C und 100 bar zu erzeugen. Der Dampf treibt eine Turbine an, die den Strom entsprechend der Echtzeitnachfrage erzeugt.

Stickstoffoxide tragen erheblich zur Luftverschmutzung bei und können besonders schädlich für die menschliche Gesundheit sein. NOx sind hauptsächlich zwei verschiedene stickstoffbasierte Gase: Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂). Der Begriff NO_X bezieht sich auf die Kombination dieser beiden Gase aufgrund ihrer leichten gegenseitigen Umwandlung in Gegenwart von Sauerstoff. Auf formaler Ebene umfasst der allgemeine Begriff Stickstoffoxide jedoch mehr als diese 2 Gase; einschließlich aller folgenden Verbindungen: NO, NO₂, N₂O₂, N₂O₄, N₂O, N₂O₃, N₂O₅ und NO₃, wobei letzteres instabil ist.

Die industriellen Prozesse, die hauptsächlich für die Erzeugung der größten Mengen an NO_X (etwa 25 %) verantwortlich sind, betreffen vor allem die Energieerzeugung, die Verbrennung von Kohle, Öl und Erdgas sowie Galvanik- und Metallätzverfahren. NO und NO₂ entstehen in Prozessen, bei denen Temperaturen über 1200 ºC in Gegenwart von atmosphärischem Stickstoff und Sauerstoff erreicht werden.

Ein gemeinsames Merkmal aller Stickstoffoxide ist ihre kontaminierende Natur, wobei ihre Emission besonders signifikante Auswirkungen auf die Umwelt hat. Die Hauptwirkungen, für die sie verantwortlich sind, umfassen:

• Zerstörung der stratosphärischen Ozonschicht
• Beitrag zum Treibhauseffekt
• Bildung von saurem Regen
• Entstehung von photochemischem Smog

Daher ist es vor allem wichtig, ihre Produktion zu minimieren und anschließend jene Stickstoffoxide zu eliminieren, deren Entstehung nicht vermieden werden kann. Das Ziel der Minimierung ihrer Erzeugung kann durch drei verschiedene Strategien erreicht werden:

• Reduzierung der Arbeitstemperatur
• Verringerung der Verweilzeit der Gase, insbesondere des Stickstoffs, in der Verbrennungszone, in der die höchsten Temperaturen herrschen
• Verringerung des Sauerstoff-/Kraftstoffverhältnisses – die NO_X-Bildung nimmt bei Reduzierung des Sauerstoffüberschusses deutlich ab

Da es jedoch unmöglich ist, die Entstehung von Stickstoffoxiden vollständig zu verhindern, müssen Techniken eingesetzt werden, die das erzeugte NO_X entfernen, um den zunehmend strengeren gesetzlichen Vorgaben gerecht zu werden. Die am häufigsten verwendeten Techniken hierfür sind:

Absorption durch chemische Reaktion

Diese Technik beinhaltet die Absorption von NO_X durch eine chemische Reaktion in der flüssigen Phase, meist unter Verwendung von Schwefelsäure. Diese reagiert mit Stickstoffoxiden und bildet HSO₄NO (Nitrosylschwefelsäure), die in der flüssigen Phase verbleibt. NO_X wird bei hohem Druck (2 atm) und niedriger Temperatur (35 ºC) in der flüssigen Phase absorbiert. Der Prozess kann jedoch bei hoher Temperatur (180 ºC) und niedrigem Druck (0,5 atm) umgekehrt werden, unter diesen Bedingungen kann das stickstoffhaltige Molekül (jetzt aufgrund des Wasservorhandenseins Salpetersäure) von der Schwefelsäure getrennt und diese wiederverwendet werden.

Der Hauptnachteil dieses Verfahrens ist, dass korrosive und schädliche Chemikalien verwendet werden müssen und ein physischer Raum für den Prozess erforderlich ist. Da die erzielten Wirkungsgrade nicht hoch sind, wird diese Technik in der Regel nur für niedrige NO_X-Belastungen empfohlen.

Selektive nicht-katalytische Reduktion (SNCR)

Diese Technik ermöglicht die Reduzierung von Stickstoffoxidemissionen durch Umwandlung in Stickstoffgas mittels einer nicht-katalytischen chemischen Reaktion. Damit diese Umwandlung ohne Katalysator stattfinden kann, muss die Temperatur auf 850 bis 1100 ºC erhöht werden. Die Betriebstemperatur hängt direkt vom verwendeten Reduktionsmittel ab, wobei Ammoniak und Harnstoff am gebräuchlichsten sind.

Diese Technik wird meist in kleinen Industrieöfen eingesetzt, da die Kosten für den Betrieb in diesem Temperaturbereich bei größeren Anlagen deutlich steigen. Die SNCR-Anlage benötigt wenig Platz und ist einfach zu installieren und zu betreiben. Die erzielte Reduktionseffizienz ist jedoch nur moderat, weshalb diese Technik für Fälle mit niedrigen Stickstoffoxidemissionen geeignet ist.

Reduktion durch selektive katalytische chemische Reaktion (SCR)

Diese Technik basiert auf einem katalytischen Prozess, bei dem Stickstoffoxide selektiv in Gegenwart eines Katalysators reduziert werden, während das Reduktionsmittel (Ammoniak oder Harnstoff) zu Stickstoffgas oxidiert wird. Da die Reaktion auf der Oberfläche eines Katalysators stattfindet, liegt die erforderliche Temperatur im Bereich von 250-450 ºC. Die endgültige Betriebstemperatur hängt jedoch von verschiedenen Faktoren ab, wobei der verwendete Katalysator einer der wichtigsten Parameter ist.

Praktisch kann das Reduktionsmittel eine wässrige Ammoniaklösung, flüssiges Ammoniak oder eine wässrige Harnstofflösung sein. Von diesen ist die Verwendung von flüssigem Ammoniak die kostengünstigste Option, was zu niedrigeren Betriebskosten führt. Flüssiges Ammoniak ist jedoch aufgrund seiner Eigenschaften wesentlich komplexer zu handhaben als wässrige Ammoniak- oder Harnstofflösungen. Die Verwendung, Lagerung und der Transport von flüssigem Ammoniak unterliegen der Richtlinie 96/82/EG (Seveso-II-Richtlinie) und müssen gemäß einem strengen Sicherheitsprotokoll erfolgen, da es aufgrund seiner stark korrosiven Natur und seiner Explosionsgefahr in Gegenwart von Sauerstoff Risiken birgt.

Betriebstechnisch führen höhere NH₃/NO_X-Zuführverhältnisse zu einer höheren Effizienz. Allerdings steigt auch die Menge an unverbrauchtem Ammoniak, die im Gasstrom verloren geht. Dieser Verlust an unverbrauchtem Ammoniak muss minimiert werden, da es mit SO₃ in Gegenwart von Wasser Ammoniumbisulfat (NH₄HSO₄) bildet, welches korrosiv ist und die Anlagen verschmutzt. Der Schlüssel zum optimalen Betrieb besteht darin, das Ammoniak so zuzuführen, dass ein gutes Ausbeuteverhältnis erzielt wird und gleichzeitig die Menge an unverbrauchtem Ammoniak minimiert wird.

Die Wahl des Katalysators ist entscheidend für den Prozess, da sie wichtige Parameter wie Betriebstemperatur und Reaktionsumfang beeinflusst. Vier verschiedene Materialien werden als Katalysatoren verwendet:

• Metalloxide (von Vanadium, Wolfram, Molybdän und Chrom) auf einem Träger aus Titandioxid (TiO2)
• Zeolithe
• Eisenoxide, beschichtet mit einer dünnen Schicht aus Eisenphosphat
• Aktivkohle

Die Wahl des Katalysators beeinflusst auch direkt die Betriebskosten, da nicht alle die gleichen Eigenschaften, Kosten und Lebensdauer besitzen.

Die Hauptvorteile der SCR-Technologie sind die sehr hohe NO_X-Eliminationsrate und die Tatsache, dass NO_X in Stickstoffgas umgewandelt wird, ohne dass zusätzliche Nebenprodukte oder Rückstände entstehen.

Die wichtigsten Unterschiede zwischen den oben beschriebenen NO_X-Eliminationstechniken sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst.

Zusammenfassend muss die Stickstoffoxidemission kontrolliert werden, da sie durch die geltende Gesetzgebung streng geregelt ist. Der erste Schritt dieser Kontrolle besteht darin, die Produktion dieser Gase zu minimieren. Anschließend muss die nicht vermeidbare Produktion vor der Freisetzung in die Atmosphäre zusammen mit den anderen Gasen korrekt behandelt werden. Die effizienteste Technik zur Eliminierung von NO_X ist die Reduktion durch selektive katalytische chemische Reaktion (SCR).

NO_X werden auf industriellem Niveau in jenen Prozessen erzeugt, in denen fossile Brennstoffe verbrannt werden. Daher können diese Technologien in einer Vielzahl von Industrieanlagen angewendet werden, in denen thermische Energie durch einen Verbrennungsprozess erzeugt wird, der mit fossilen Brennstoffen betrieben wird. Schließlich ist der DeNOx^® Prozess eine sehr innovative und wettbewerbsfähige Alternative zur Behandlung von NO_X-Emissionen in solarthermischen Kraftwerken.