Luft­rein­hal­tung: Nicht­ka­ta­ly­ti­sche Ent­sti­ckung (SNCR) wei­ter­hin Stand der Tech­nik: Ren­ta­ble Nachrüstung

Autor: Timo von der Heide

Nichtkatalytische Entstickung (SNCR) weiterhin Stand der Technik:

Rentable Nachrüstung

 

Bernd von der Heide,
Mehldau & Steinfath Umwelttechnik GmbH

www.ms-umwelt.de

 

 

Die in der EU geltenden Emissionsgrenzwerte für Stickoxide aus Verbrennungsanlagen für Kohle, Abfallstoffe usw. müssen regelmäßig den fortschreitenden technischen Entwicklungen, dem sogenannten Stand der Technik, angepasst werden. Ältere SNCR-Anlagen lassen sich mit geeigneter Technik aber gut nachrüsten, damit auch sie den verschärften Bedingungen gewachsen sind.

 

Die Abgasentstickung von Verbrennungsanlagen mittels der sogenannten Selektiven Nichtkatalytischen Verfahren (SNCR) wurde so weiterentwickelt, dass das Verfahren sowohl in neuen als auch in Bestandsanlagen erfolgreich eingesetzt werden kann.

 

Die sogenannten ‚Besten Verfügbaren Techniken (BVT)‘ sind diejenigen, die zur Erreichung eines allgemein hohen Schutzniveaus für die Umwelt am besten geeignet sind. Gleichzeitig sollen sie unter Berücksichtigung des Kosten-/ Nutzenverhältnisses mit technisch angemessenem Aufwand realisierbar sein.

 

Im „Final Draft“ des BVT-Merkblattes sind die NOx-Tagesmittelwerte für Abfallverbrennungsanlagen definiert.

 

Final Draft des BVT-Merkblattes für Abfallverbrennungsanlagen

 

Für die NOx-Abscheidung im Rauchgas haben sich sowohl Verfahren der Selektiven Nichtkatalytischen Reduktion (SNCR) als auch der Selektiven Katalytischen Reduktion (SCR) bewährt. Beide Verfahren nutzen die Reduktionseigenschaften von Ammoniak oder Ammoniak-abspaltenden Reduktionsmitteln wie Harnstoff. In Abfallverbrennungsanlagen liegt der optimale Temperaturbereich, in dem die Reaktionen stattfinden, für SNCR zwischen circa 950 und 1030 °C und für SCR über 300 °C. Mit den ersten SNCR-Anlagen, die in den 1980er- und 1990er-Jahren in Betrieb genommen wurden, konnten trotz einfacher technischer Ausstattung die damals gültigen NOx-Grenzwerte gemäß 17. BImSchV von < 200 mg/m³ i.N. zuverlässig eingehalten werden. Da die Verbrennungsanlagen zumeist bei Volllast betrieben werden, halten sich die Schwankungen der Rauchgastemperaturen im ersten Kesselzug, wo die Reduktionsmittel eingedüst werden, in Grenzen. Dem Ammoniakschlupf wurde damals noch keine allzu große Bedeutung beigemessen. Es galt der NH3 Grenzwert von < 30 mg/m³ i.N. gemäß TA Luft, sodass eine SNCR Anlage mit nur einer Eindüsebene für die Einhaltung der damaligen Grenzwerte ausreichend bemessen war.

 

Um größeren Temperaturschwankungen und -schieflagen, die sich während des Betriebes ergeben, entgegenzuwirken und um den NH3-Schlupf zu senken, haben sich für Abfallverbrennungsanlagen zwei Eindüsebenen bewährt, die zumeist in den 1990er-Jahren mit SNCR-Anlagen gemäß 17. BlmSchV ausgerüstet wurden. Diese zwei Ebenen werden abhängig von der gemittelten Kesseldeckentemperatur umgeschaltet. Unter günstigen Betriebsbedingungen, z.B. bei Verbrennung homogener Brennstoffe und konstanter Kessellast, sind mit diesem Konzept auch NOx-Reingaswerte< 150 mg/m³ i.N. möglich. Abhängig von Schieflagen der Rauchgastemperaturen und -strömungen hinsichtlich des NH3-Schlupfes und des Reduktionsmittelverbrauchs ist jedoch mit Einschränkungen zu rechnen. Bei großen Temperaturschieflagen zwischen der Front- und Rückseite der Feuerung hat sich in dieser Zeit die separate Umschaltung von halben Eindüsebenen – vorne oder hinten – bewährt. Die o.g. Konzepte sind für moderne Anlagen, die gemäß den neuen BVT-Standards betrieben werden, nicht mehr ausreichend.

 

Für die Prozessregelung der SNCR-Verfahren sind die Rauchgastemperaturen sowie die Rauchgaszusammensetzung von maßgeblicher Bedeutung. Damit in allen möglichen Betriebsfällen das Reduktionsmittel immer an allen Eindüsstellen in den optimalen Bereich des Temperaturfensters eingedüst wird, der hinsichtlich der NOx-Abscheidung, des NH3-Schlupfes und des Reduktionsmittelverbrauchs am wirksamsten ist, werden in modernen Anlagen abhängig von den Rauchgastemperaturen einzelne Eindüslanzen oder Gruppen von Lanzen geschaltet.

 

Die im Dauerbetrieb erzielten Messergebnisse in mehreren Verbrennungsanlagen
belegen, dass NOx-Reingaswerte < 100 mg/ m³ i.N. bei einem NH3-Schlupf < 10 mg/m³ i.N. dauerhaft einzuhalten sind und sogar Werte, die deutlich darunter liegen, erreicht werden.

 

In den Niederlanden wurden in der Abfallverbrennungsanlage Wijster die drei Reaktoren der SCR-Anlage außer Betrieb genommen und durch SNCR-Anlagen ersetzt. Wegen der hohen Anforderungen (NOx-Abscheidung von circa 330 – 350 mg/m³ i.N. auf < 60 mg/m³ i.N. und NH3-Schlupf < 10 mg/m³ i.N.) sind drei Eindüsebenen mit jeweils sechs Lanzen installiert worden. Hierbei wird jede einzelne Lanze abhängig von der jeweiligen Zonentemperatur so angesteuert, dass das Ammoniakwasser mit jeder aktiven Lanze immer in den optimalen Temperaturbereich in der Feuerung eingedüst werden kann. Mit älteren SNCR Anlagen, die oft schon über 20 Jahre im Betrieb sind, können die zukünftigen Anforderungen nicht oder nur mit Einschränkungen erfüllt werden. Die künftig von den Betreibern geforderten NOx-Grenzwerte < 100 mg/m³ i.N., NH3-Schlupf < 5 mg/m³ i.N. bei gleichzeitigem minimalem Reduktionsmittelverbrauch benötigen fast immer eine Nachrüstung. Maßnahmen zur Ertüchtigung erfordern Ausrüstungen wie drei Eindüsebenen, Einzellanzenumschaltung und verlässliche, kontinuierliche Rauchgasmessungen.

 

Je nach Alter und Zustand der vorhandenen SNCR-Anlagen ist es u.U. möglich, die zusätzlich benötigten Armaturen in die Misch- und Messmodule einzubauen. Meist ist dies jedoch nicht zu empfehlen oder auch nicht möglich, da zusätzliche Bauteile Platz benötigen, der bei den älteren Anlagen in den Misch- und Messmodulen nicht vorhanden ist. Darüber hinaus ist zu beachten, dass zu beengte Platzverhältnisse die Zugänglichkeit für Wartungsarbeiten erheblich erschweren können. Auch wenn die vorhandenen Komponenten wie Regelventile, Druckhalteventile, Kugelhähne usw. weiter verwendet werden sollen, ist es oft sinnvoller, neue und größere Schränke zu benutzen und mit neuen Armaturen zu ergänzen.

 

Es ist fast immer einfacher und kostengünstiger, die Misch- und Messmodule in neuen Schränken in der Werkstatt neu aufzubauen, als die alten, kleineren Schränke für den Einbau der zusätzlichen Teile vor Ort weiter zu nutzen. Die Investitionskosten werden wesentlich durch den Entstickungsgrad, den NOx-Reingasgehalt, das Reduktionsmittel und die Lagerkapazität für Reduktionsmittel bestimmt.

 

Für Anlagen gemäß der BVT-Standards sind die Kosten um etwa 80 Prozent günstiger als bei einer SCR-Anlage. Die Kosten für Wartung, Verschleißteile und Betriebsmittelkosten, wie elektrische Energie, sind sehr gering, weil der anlagentechnische Aufwand klein ist. Die Betriebskosten hängen daher fast ausschließlich von den Reduktionsmittelkosten ab. Dagegen werden die Betriebskosten einer SCR-Anlage im Wesentlichen durch Gebläse und Wiederaufheizung der Rauchgase sowie den Katalysatorverschleiß bestimmt.

 

Für den Betreiber der Abfallverbrennungsanlage in Wijster hat sich der Wechsel von SCR zu SNCR gerechnet: Der Austausch der verbrauchten Katalysatorelemente wurde vermieden, der Wegfall der elektrischen Energie zum Ausgleich der Druckverluste über den Katalysator und die Wiederaufheizung des Rauchgases hat die Betriebskosten so weit gesenkt, dass sich die Investitionen für die SNCR-Anlage schnell amortisiert haben. Durch den Einsatz weiterer patentierter Verfahrensschritte, wie selektiver Kühlung der Rauchgase und TWIN-NOx, kann das SNCR-Verfahren noch weiter verbessert werden, so dass es nach wie vor den Stand der Technik bestimmt.

 

Quelle: ENTSORGA-Magazin, Heft 06/2020

Nichtkatalytische Entstickung (SNCR) weiterhin Stand der Technik:

Rentable Nachrüstung

 

Bernd von der Heide,
Mehldau & Steinfath Umwelttechnik GmbH

www.ms-umwelt.de

 

 

Die in der EU geltenden Emissionsgrenzwerte für Stickoxide aus Verbrennungsanlagen für Kohle, Abfallstoffe usw. müssen regelmäßig den fortschreitenden technischen Entwicklungen, dem sogenannten Stand der Technik, angepasst werden. Ältere SNCR-Anlagen lassen sich mit geeigneter Technik aber gut nachrüsten, damit auch sie den verschärften Bedingungen gewachsen sind.

 

Die Abgasentstickung von Verbrennungsanlagen mittels der sogenannten Selektiven Nichtkatalytischen Verfahren (SNCR) wurde so weiterentwickelt, dass das Verfahren sowohl in neuen als auch in Bestandsanlagen erfolgreich eingesetzt werden kann.

 

Die sogenannten ‚Besten Verfügbaren Techniken (BVT)‘ sind diejenigen, die zur Erreichung eines allgemein hohen Schutzniveaus für die Umwelt am besten geeignet sind. Gleichzeitig sollen sie unter Berücksichtigung des Kosten-/ Nutzenverhältnisses mit technisch angemessenem Aufwand realisierbar sein.

 

Im „Final Draft“ des BVT-Merkblattes sind die NOx-Tagesmittelwerte für Abfallverbrennungsanlagen definiert.

 

Final Draft des BVT-Merkblattes für Abfallverbrennungsanlagen

 

Für die NOx-Abscheidung im Rauchgas haben sich sowohl Verfahren der Selektiven Nichtkatalytischen Reduktion (SNCR) als auch der Selektiven Katalytischen Reduktion (SCR) bewährt. Beide Verfahren nutzen die Reduktionseigenschaften von Ammoniak oder Ammoniak-abspaltenden Reduktionsmitteln wie Harnstoff. In Abfallverbrennungsanlagen liegt der optimale Temperaturbereich, in dem die Reaktionen stattfinden, für SNCR zwischen circa 950 und 1030 °C und für SCR über 300 °C. Mit den ersten SNCR-Anlagen, die in den 1980er- und 1990er-Jahren in Betrieb genommen wurden, konnten trotz einfacher technischer Ausstattung die damals gültigen NOx-Grenzwerte gemäß 17. BImSchV von < 200 mg/m³ i.N. zuverlässig eingehalten werden. Da die Verbrennungsanlagen zumeist bei Volllast betrieben werden, halten sich die Schwankungen der Rauchgastemperaturen im ersten Kesselzug, wo die Reduktionsmittel eingedüst werden, in Grenzen. Dem Ammoniakschlupf wurde damals noch keine allzu große Bedeutung beigemessen. Es galt der NH3 Grenzwert von < 30 mg/m³ i.N. gemäß TA Luft, sodass eine SNCR Anlage mit nur einer Eindüsebene für die Einhaltung der damaligen Grenzwerte ausreichend bemessen war.

 

Um größeren Temperaturschwankungen und -schieflagen, die sich während des Betriebes ergeben, entgegenzuwirken und um den NH3-Schlupf zu senken, haben sich für Abfallverbrennungsanlagen zwei Eindüsebenen bewährt, die zumeist in den 1990er-Jahren mit SNCR-Anlagen gemäß 17. BlmSchV ausgerüstet wurden. Diese zwei Ebenen werden abhängig von der gemittelten Kesseldeckentemperatur umgeschaltet. Unter günstigen Betriebsbedingungen, z.B. bei Verbrennung homogener Brennstoffe und konstanter Kessellast, sind mit diesem Konzept auch NOx-Reingaswerte< 150 mg/m³ i.N. möglich. Abhängig von Schieflagen der Rauchgastemperaturen und -strömungen hinsichtlich des NH3-Schlupfes und des Reduktionsmittelverbrauchs ist jedoch mit Einschränkungen zu rechnen. Bei großen Temperaturschieflagen zwischen der Front- und Rückseite der Feuerung hat sich in dieser Zeit die separate Umschaltung von halben Eindüsebenen – vorne oder hinten – bewährt. Die o.g. Konzepte sind für moderne Anlagen, die gemäß den neuen BVT-Standards betrieben werden, nicht mehr ausreichend.

 

Für die Prozessregelung der SNCR-Verfahren sind die Rauchgastemperaturen sowie die Rauchgaszusammensetzung von maßgeblicher Bedeutung. Damit in allen möglichen Betriebsfällen das Reduktionsmittel immer an allen Eindüsstellen in den optimalen Bereich des Temperaturfensters eingedüst wird, der hinsichtlich der NOx-Abscheidung, des NH3-Schlupfes und des Reduktionsmittelverbrauchs am wirksamsten ist, werden in modernen Anlagen abhängig von den Rauchgastemperaturen einzelne Eindüslanzen oder Gruppen von Lanzen geschaltet.

 

Die im Dauerbetrieb erzielten Messergebnisse in mehreren Verbrennungsanlagen
belegen, dass NOx-Reingaswerte < 100 mg/ m³ i.N. bei einem NH3-Schlupf < 10 mg/m³ i.N. dauerhaft einzuhalten sind und sogar Werte, die deutlich darunter liegen, erreicht werden.

 

In den Niederlanden wurden in der Abfallverbrennungsanlage Wijster die drei Reaktoren der SCR-Anlage außer Betrieb genommen und durch SNCR-Anlagen ersetzt. Wegen der hohen Anforderungen (NOx-Abscheidung von circa 330 – 350 mg/m³ i.N. auf < 60 mg/m³ i.N. und NH3-Schlupf < 10 mg/m³ i.N.) sind drei Eindüsebenen mit jeweils sechs Lanzen installiert worden. Hierbei wird jede einzelne Lanze abhängig von der jeweiligen Zonentemperatur so angesteuert, dass das Ammoniakwasser mit jeder aktiven Lanze immer in den optimalen Temperaturbereich in der Feuerung eingedüst werden kann. Mit älteren SNCR Anlagen, die oft schon über 20 Jahre im Betrieb sind, können die zukünftigen Anforderungen nicht oder nur mit Einschränkungen erfüllt werden. Die künftig von den Betreibern geforderten NOx-Grenzwerte < 100 mg/m³ i.N., NH3-Schlupf < 5 mg/m³ i.N. bei gleichzeitigem minimalem Reduktionsmittelverbrauch benötigen fast immer eine Nachrüstung. Maßnahmen zur Ertüchtigung erfordern Ausrüstungen wie drei Eindüsebenen, Einzellanzenumschaltung und verlässliche, kontinuierliche Rauchgasmessungen.

 

Je nach Alter und Zustand der vorhandenen SNCR-Anlagen ist es u.U. möglich, die zusätzlich benötigten Armaturen in die Misch- und Messmodule einzubauen. Meist ist dies jedoch nicht zu empfehlen oder auch nicht möglich, da zusätzliche Bauteile Platz benötigen, der bei den älteren Anlagen in den Misch- und Messmodulen nicht vorhanden ist. Darüber hinaus ist zu beachten, dass zu beengte Platzverhältnisse die Zugänglichkeit für Wartungsarbeiten erheblich erschweren können. Auch wenn die vorhandenen Komponenten wie Regelventile, Druckhalteventile, Kugelhähne usw. weiter verwendet werden sollen, ist es oft sinnvoller, neue und größere Schränke zu benutzen und mit neuen Armaturen zu ergänzen.

 

Es ist fast immer einfacher und kostengünstiger, die Misch- und Messmodule in neuen Schränken in der Werkstatt neu aufzubauen, als die alten, kleineren Schränke für den Einbau der zusätzlichen Teile vor Ort weiter zu nutzen. Die Investitionskosten werden wesentlich durch den Entstickungsgrad, den NOx-Reingasgehalt, das Reduktionsmittel und die Lagerkapazität für Reduktionsmittel bestimmt.

 

Für Anlagen gemäß der BVT-Standards sind die Kosten um etwa 80 Prozent günstiger als bei einer SCR-Anlage. Die Kosten für Wartung, Verschleißteile und Betriebsmittelkosten, wie elektrische Energie, sind sehr gering, weil der anlagentechnische Aufwand klein ist. Die Betriebskosten hängen daher fast ausschließlich von den Reduktionsmittelkosten ab. Dagegen werden die Betriebskosten einer SCR-Anlage im Wesentlichen durch Gebläse und Wiederaufheizung der Rauchgase sowie den Katalysatorverschleiß bestimmt.

 

Für den Betreiber der Abfallverbrennungsanlage in Wijster hat sich der Wechsel von SCR zu SNCR gerechnet: Der Austausch der verbrauchten Katalysatorelemente wurde vermieden, der Wegfall der elektrischen Energie zum Ausgleich der Druckverluste über den Katalysator und die Wiederaufheizung des Rauchgases hat die Betriebskosten so weit gesenkt, dass sich die Investitionen für die SNCR-Anlage schnell amortisiert haben. Durch den Einsatz weiterer patentierter Verfahrensschritte, wie selektiver Kühlung der Rauchgase und TWIN-NOx, kann das SNCR-Verfahren noch weiter verbessert werden, so dass es nach wie vor den Stand der Technik bestimmt.

 

Quelle: ENTSORGA-Magazin, Heft 06/2020

Nichtkatalytische Entstickung (SNCR) weiterhin Stand der Technik: Rentable Nachrüstung

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