Die europäischen Emissionsvorschriften werden immer strenger, und Stickoxide (NOx) stehen ganz oben auf der Liste. Von den Betreibern wird erwartet, dass sie NOx mit hoher Präzision und Effizienz entfernen und gleichzeitig den Ammoniakaustritt so gering wie möglich halten. Ein Großteil dieses Ergebnisses wird bereits vor dem Eintreffen des Reagenzes am Katalysator durch die Art und Weise seines Aufsprühens bestimmt.
Warum die NOx-Reduzierung in Europa wichtiger denn je ist
NOx entsteht bei der Verbrennung bei hohen Temperaturen. Das stellt eine Herausforderung bei der Glasschmelze, in Zementöfen, in Müllverbrennungsanlagen, bei der Stromerzeugung und in der Stahlproduktion dar. Die Emissionsgrenzwerte werden immer strenger, und die europäischen Leitlinien für die besten verfügbaren Techniken (BAT) verlangen von den Betreibern, niedrige NOx-Werte zu erreichen, ohne dabei ein neues Problem zu verursachen. Dieses neue Problem ist der Ammoniak-Slip: unreagiertes Ammoniak, das das System verlässt, wenn das Reagenz schlecht dosiert oder verteilt wird.
SCR und SNCR: zwei Wege, eine gemeinsame Abhängigkeit
Bei beiden Verfahren wird ein Reagenz, in der Regel Harnstoff oder Ammoniakwasser, in das Rauchgas eingespritzt.
- SNCR (selektive nichtkatalytische Reduktion): Das Reagenz wird in die Heißzone des Ofens oder Kessels eingespritzt, typischerweise bei Temperaturen zwischen 850 und 1.100 °C. Dort reagiert es ohne Katalysator mit NOx.
- SCR (Selektive katalytische Reduktion): Das Reagenz wird vor einem Katalysator eingespritzt, typischerweise bei etwa 300 bis 400 °C. Die Reaktion findet auf dem Katalysator statt.
Die Anlagen und Temperaturen unterscheiden sich, aber die Anforderungen sind dieselben. Das Reagenz muss gut zerstäubt, gleichmäßig verteilt und zum richtigen Zeitpunkt vollständig mit dem Gas vermischt sein. Das ist ein Sprühproblem. Einen umfassenderen Überblick erhalten Sie in unserem Beitrag über Sprühtechnologielösungen zur NOx-Reduktion.
Warum die Düse den Unterschied ausmacht
Sprühdüsen wandeln das flüssige Reagens in Tröpfchen um, damit es sich verteilen, verdampfen und mit NOx reagieren kann. Fünf Variablen bestimmen die Leistung: Tröpfchengröße, Tröpfchenverteilung, Geschwindigkeit, Sprühwinkel und Sprührichtung. Wenn diese nicht stimmen, kommt es häufig zu folgenden Problemen:
- Zu grobe Tröpfchen, die zu langsam verdampfen, sodass das Reagenz den Katalysator in flüssiger Form erreichen kann
- Schlechte Durchdringung, wodurch ein Teil des Gasstroms unbehandelt bleibt
- Sprühnebel, der auf die Kanalwände trifft, was zu Ablagerungen und Verschleiß führen kann
- Ungleichmäßige Durchmischung bei Teillast, was den Ammoniak-Slip erhöht
Eine gut konzipierte Einspritzanlage zielt auf Folgendes ab:
- Eine gleichmäßige Verteilung des Reagenzes im Kanal
- Optimierte Durchdringung und Durchmischung
- Geringer NH₃-Verlust unter allen Lastbedingungen
- Düsenpositionen, die die Belastung der Kanalwände begrenzen
Fallstudie: Eine Glasfabrik in Pisa, Italien
Eine Glasfabrik in Pisa musste den NOx-Ausstoß mit einem SCR-System unter Verwendung von Ammoniakwasser von etwa 1.600 mg/Nm³ auf unter 300 mg/Nm³ senken. Für die Reaktion standen nur 13 Meter gerader Kanal zur Verfügung, und der Verbrauch an Zerstäubungsluft musste gering gehalten werden. Eine CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) zeigte, dass FloMax® FMX030-Luftzerstäubungsdüsen das Ammoniakwasser innerhalb dieser Länge vollständig verdampfen konnten. Es wurden zwei Lanzen mit FMX030-Düsen installiert.
- Vorher: ca. 1.600 mg/Nm³
- Nachher: unter 300 mg/Nm³
- Verfügbare Kanalänge: 13 m
- Düsen: FloMax® FMX030 an zwei Lanzen
- Einhaltung der Grenzwerte seit Mitte 2019
Erst modellieren, dann installieren
Das Ergebnis aus Pisa entstand durch eine Simulation vor dem Bau. Ein typischer Ansatz umfasst drei Schritte:
- CFD-Simulation der Gasströmung und des Sprühverhaltens
- Modellierung der Emissionsleistung
- Optimierung und Inbetriebnahme vor Ort
Nützliche Eingangsdaten: Gastemperatur, Durchflussrate, verfügbare gerade Kanalänge, Reagenstyp, Lastbereich sowie Zielwerte für NOx und Slip.
Sobald die Einspritzung eingerichtet ist, sorgt eine Regelung im geschlossenen Regelkreis dafür, dass sie konstant bleibt. Das AutoJet® NOx-Regelsystem liest die Rückmeldung des NOx-Sensors aus und passt den Flüssigkeits- und Luftstrom zu den Düsen automatisch an, sodass die Leistung auch bei Lastschwankungen konstant bleibt. Es funktioniert mit luftzerstäubenden und hydraulischen Sprühdüsen sowie mit Lanzen. Erfahren Sie mehr auf unserer Anwendungsseite zur NOx-Regelung.
Über NOx hinaus: Gaskühlung und -aufbereitung
Die Reagenzieinspritzung ist oft nur ein Schritt in einer umfassenderen Abgasbehandlungskette. Das gleiche Sprüh-Know-how gilt auch für:
- Kühlung und Abschreckung im Kanal
- Temperaturregelung vor Schlauchfilteranlagen, Elektrofiltern (ESP) und Wärmetauschern
- SO₂-Entfernung
- Kühltürme
- Gaskühlung und -aufbereitung
Dies ist branchenübergreifend von Bedeutung – von der Stahl- und Nichteisenmetallindustrie bis hin zur Zementherstellung und Energiegewinnung aus Abfall. Lesen Sie auch unseren Beitrag darüber, warum Sprühdüsen für einen leistungsstarken Kühlprozess unverzichtbar sind, oder entdecken Sie alle Spruhanwendungen.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen SCR und SNCR?
Bei SCR werden Harnstoff oder Ammoniak vor einem Katalysator bei etwa 300 bis 400 °C eingespritzt. Bei SNCR erfolgt die Einspritzung direkt in den heißen Ofenbereich bei etwa 850 bis 1.100 °C, ohne Katalysator. SCR erreicht in der Regel eine höhere NOx-Reduktion, während SNCR keinen Katalysator benötigt.
Was ist Ammoniak-Slip?
Ammoniak-Slip ist nicht reagiertes Ammoniak, das mit dem Rauchgas das System verlässt. Er wird in der Regel durch Überdosierung, ungleichmäßige Verteilung oder schlechte Durchmischung verursacht. Eine gute Auswahl und Platzierung der Düsen trägt dazu bei, ihn zu begrenzen.
Warum ist die Tröpfchengröße bei der NOx-Reduktion von Bedeutung?
Die Tröpfchengröße bestimmt, wie schnell das Reagenz verdampft und wie weit es in den Gasstrom eindringt. Feine Tröpfchen verdampfen schnell, was entscheidend ist, wenn das Reagenz vor dem SCR-Katalysator vollständig verdampft sein muss. Außerdem benötigen die Tröpfchen genügend Bewegungsenergie, um den gesamten Kanalquerschnitt zu erreichen.
Wie wird CFD bei der NOx-Kontrolle eingesetzt?
CFD-Simulationen modellieren die Gasströmung und das Sprühverhalten, einschließlich der Tröpfchenverdampfung, innerhalb der tatsächlichen Kanalgeometrie. Sie helfen bei der Auswahl des Düsentyps und der Positionierung vor der Installation. In Pisa wurde bestätigt, dass die vollständige Verdampfung innerhalb von 13 Metern gerader Kanalstrecke erfolgt.
Kann dieselbe Sprühtechnologie zur Gaskühlung eingesetzt werden?
Ja. Düsen und Lanzen werden auch für die Kühlung und Abschreckung im Kanal, die Temperaturregelung vor Schlauchfilteranlagen und Elektrofiltern, die SO₂-Entfernung sowie die Gasaufbereitung eingesetzt.
Möchten Sie Ihre Einspritzkonfiguration vor dem Bau validieren? Sprechen Sie mit Ihrem lokalen Sprühexperten über eine CFD-Analyse.