Rauchgasentstickung

Bei der Rauchgasentstickung (auch DeNOx genannt) werden mit Hilfe von so genannten Primär- oder Sekundärmaßnahmen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffoxide (NO_x) beispielsweise aus dem Abgas von Kohle- oder Gasturbinenkraftwerken entfernt.

Bei den Primärmaßnahmen soll durch optimierte Brennprozesse die thermische NO_x-Bildung unterdrückt werden.

Die Sekundärmaßnahmen hingegen sind Abscheideverfahren der Rauchgasreinigung, bei denen die im Rauchgas enthaltenen Stickstoffoxide (NO_x) durch Absorption über Einsprühen einer Waschlösung oder durch Reduktion zu elementarem Stickstoff, beispielsweise durch Einsprühen von Ammoniak verringert werden sollen.
Bei den reduktiven Verfahren unterscheidet man zwischen

Selektiver nichtkatalytischer (SNCR) und
Selektiver katalytischer Reduktion (SCR).

Primärentstickung

Die Bildung von NO_x in der Feuerung wird durch vier Faktoren wesentlich begünstigt:

hohe Flammen- beziehungsweise Verbrennungstemperatur. Die höchste Flammentemperatur ergibt sich bei nahezu stöchiometrischer Verbrennung (Verbrennungsluftverhältnis $\lambda =1$ ),[1] d. h. wenn der Sauerstoff in der Luft gerade ausreicht, um den Brennstoff vollständig zu oxidieren. Die Verbrennungstemperatur kann mittels der akustischen Gastemperaturmessung erfasst werden.
großes Sauerstoffangebot
lange Verweilzeit der reagierenden Stoffe im Flammenbereich
hohe Drücke, wie sie etwa in Verbrennungsmotoren auftreten, begünstigen ebenfalls die NO_x-Bildung.

Unter bestimmten Bedingungen entstehen Stickoxide dadurch, dass die Luftbestandteile Sauerstoff O₂ (Volumenanteil 20 %) und Stickstoff N₂ direkt miteinander reagieren (z. B. im Lichtbogenofen).

Die Primärentstickung zeichnet sich dadurch aus, dass sie durch geeignete Konstruktion von Brennern und durch geeignete Feuerungskonzepte diese Faktoren verringert. Dazu zählen:

Rauchgasrezirkulation
Luftstufung (air staging)
Brennstoffstufung (fuel staging)

Rauchgasrezirkulation

Durch das Einblasen beziehungsweise Rezirkulieren von Rauchgas in die Verbrennungszone wird zum einen der Anteil an Sauerstoff gesenkt, zum anderen sinkt die Verbrennungstemperatur. Die Verbrennungstemperatur ist unter anderem abhängig vom Heizwert des Brennstoffes. Brennstoff und Verbrennungsluft bilden zusammen ein brennbares Gemisch mit einem charakteristischen Heizwert (früher $H_{u}$ , heute $H_{i}$ ). Mischt man dem Brennstoff-Oxidator-Gemisch Rauchgas zu, verringert sich der Heizwert des Gesamtgemisches und damit die erreichbare Verbrennungstemperatur.

Dieses Verfahren zählt in der Industrie zu den variabelsten Konzepten. Ausgeführt wird diese Maßnahme durch so genannte „Low-NO_x-Brenner“.

Rauchgasrezirkulation ist eine Maßnahme, um die Entstehung des thermischen NO_x zu verringern und ist daher bei Brennstoffen, bei denen der Anteil von Brennstoff-NO_x im Abgas dominiert, wenig wirkungsvoll.

Bei Verbrennungsmotoren wird das gleiche Verfahren als Abgasrückführung bezeichnet.

Luftstufung

In diesem Konzept (englisch „air staging“) verfolgt man die Absicht, um die Flamme herum mehrere Verbrennungszonen zu schaffen, die unterschiedliche Sauerstoffkonzentrationen besitzen, welche von innen nach außen zunehmen. Dadurch vergrößert sich der Bereich der Verbrennung und damit auch die Verweilzeit der Komponenten in der Flamme. Die Zugabe der Stufenluft kann hierbei entweder im Brenner selbst oder im Bereich des Brennraums erfolgen.

Ziel des Konzeptes ist, die Bildung von thermischem NO_x durch die brennstoffreiche „Primärzone“ zu mindern und die vollständige Verbrennung des Brennstoffes in der sauerstoffreichen und kühleren „Sekundärzone“ stufenweise auszuführen.

Brennstoffstufung

Bei diesem Konzept (englisch auch „fuel staging“) wird der Brennstoff ebenfalls in mehreren (meist zwei) Stufen in den Verbrennungsraum gegeben. Ähnlich der Luftstufung kann man hiermit Zonen unterschiedlicher Brennstoff-Luft-Verhältnisse schaffen, die ebenfalls eine Minderung der NO_x-Emissionen bewirken. In der Schmelzkammerfeuerung geht man dazu über, bis zu 15 % der Wärmeleistung des Dampferzeugers nur durch die erneute Zugabe und Zündung von Brenngas in den Abgasstrom zu erzeugen. Die restlichen 85 % werden in der eigentlichen Schmelzkammer bei leichtem Luftüberschuss erzeugt. Das hier nicht verbrauchte O₂ wird dabei zur Verbrennung des Brenngases genutzt. Eine Analogie dieser Vorgehensweise findet sich beim Nachbrenner der Flugantriebe.

Magere Verbrennung mit Vorverdampfung und Vorvermischung

Bei hohem Luftüberschuss (mageres Gemisch) sinken die Flammentemperatur und damit die NO_x-Emissionen. Dies gilt jedoch nur, wenn vor der Entzündung eine ausreichend homogene Vermischung von Brennstoff und Luft stattfindet. Ist dies nicht der Fall, kommt es an der Oberfläche der Brennstofftröpfchen bzw. am Rand der Brennstoffwolke zur Verbrennung unter lokal stöchiometrischen Verhältnissen, was zu einem starken Anstieg der NO_x-Bildung führt. Um dies zu vermeiden, können insbesondere flüssige Brennstoffe bereits außerhalb der eigentlichen Brennkammer eingespritzt, verdampft und mit der Luft vermischt werden.[2]

Literatur

Erich Fitzer, Dieter Siegel: Stickoxid-Emissionen industrieller Feuerungsanlagen in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen. In: Chemie Ingenieur Technik. Nr. 47(13), 1975, ISSN 0009-286X, S. 571.
Hans-Georg Schäfer, Fred N. Riedel: Über die Bildung von Stickoxiden in Großfeuerungsanlagen, deren Einfluß auf die Umwelt, ihre Verminderung sowie ihre Entfernung aus den Abgasen der Kraftwerke. In: Chemiker-Zeitung. Nr. 113(2), 1989, ISSN 0009-2894, S. 65–72.
Manfred Köbel, Martin Elsener: Entstickung von Abgasen nach dem SNCR-Verfahren: Ammoniak oder Harnstoff als Reduktionsmittel? In: Chemie Ingenieur Technik. Nr. 64(10), 1992, ISSN 0009-286X, S. 934–937.

Siehe auch

selektive katalytische Reduktion (SCR)
selektive nichtkatalytische Reduktion (SNCR)
kohlenstoffbasierte selektive katalytische Reduktion (CSCR)
Abgasreinigung
Rauchgasentschwefelung

Einzelnachweise

Rizk, N.K.; Mongia, H.C.: Semianalytical Correlations for NO_x, CO and UHC Emmissions, 37^th International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Esposition, Cologne, Germany, June 1^th-4^th, 1992 (pdf)
Grieb, H,; Simon, B.: Pollutant emissions of existing and future engines for commercial aircraft in: Air Traffic and the Environment - Background, Tendencies and Potential Global Atmospheric Effects, Proceedings of a DLR International Colloquium, Bonn, Germany, November 15/16, 1990, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1990, ISBN 978-0387533520. S. 43–83

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[1] Rizk, N.K.; Mongia, H.C.: Semianalytical Correlations for NO_x, CO and UHC Emmissions, 37^th International Gas Turbine and Aeroengine Congress and Esposition, Cologne, Germany, June 1^th-4^th, 1992 (pdf)

[2] Grieb, H,; Simon, B.: Pollutant emissions of existing and future engines for commercial aircraft in: Air Traffic and the Environment - Background, Tendencies and Potential Global Atmospheric Effects, Proceedings of a DLR International Colloquium, Bonn, Germany, November 15/16, 1990, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1990, ISBN 978-0387533520. S. 43–83