Abgasreinigung

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Entstehung von Schadstoffemissionen Was für Schadstoffe gibt es? wie entstehen sie?	Schadstoffe: NO, NOx RCHO (Aldehyde, Ketone) SO2 PAK CO2 Dioxine, Furane CO Ruß (Feinstaub) HC (CxHy) Schwermetalle Entstehen durch Verbrennung von Kraftstoff und Luft
Welche Schadstoffe entstehen bei Verbrennung von Holz?	Image: Unbenannt (binary/octet-stream)
Schadstoffbildungsmechanismen: Wie entstehen Stickoxide und was kann noch entstehen bei der Verbrennung? Wie entsteht thermisches NOx?	Stickoxide: NO, NO2, NO3 Thermisches NOx ensteht durch Luftsauerstoff und Luftstickstoff bei hohen Temperaturen: (> 1250 °C) Hydroxid-Radikale
Wie entsteht Promptes NOx? Wie entsteht Brennstoff-NOx? NOx bei der Feuerung etwa 95 % NO und 5 % NO2!	Statt Umsetzung zu N2 kann die Reaktion der Brennstoffradikale (CHn•) mit N2 zur Bildung von NOx führen. entsteht durch im Brennstoff gebundenen Anteile an Stickstoff (z.B. Aminosäuren), die während der Verbrennung in NOx umgesetzt werden. Menge an Stickstoff ist stark brennstoffabhängig.
Anteile NOx Bildungsmech. bei div. Brenn(Kraft)stoffen:	Image: Unbenannt (binary/octet-stream)
Wie verhält sich die Stickoxidbildung in Biomassefeuerungen?	v.a. Brennstoff-NOx! Temperaturen für thermisches NOx und promtes NOx zu niedrig
1. Welche Schadstoffe entstehen aus unvollständiger Oxidation? 2. Wie enstehen sie? 3. Wie können sie vermindert werden?	1. Kohlenmonoxid 2. Vor allem bei der pyrolytischen Zersetzung von Biomasse und der fetten Verbrennung von Kraftstoffen.Bildung in Biomassefeuerungen v.a. beim Anfahren und AusBrand. 3. Weiterreaktion zu CO2 Bei ausreichend hoher Temperatur (> 800 °C)
Es können auch höhere aromatische KW und Ruß, Feinstaub entstehen: Wie, Wo entstehen diese und was bilden sie noch?	• Entstehung in brennstoffreichen Zonen der Flammen aus niedermolekularen aromatischen Ringverbindungen (z.B. aus Lignin) mehrere Ethin radikale führen zu mehr Ringen -> Agglomeration=Ruß es bilden sich auch mehrketige aromatisch KW hochsiedende KW sind dann Teer
Polychlorierte Dioxine und Furane: Wie entstehen sie? Was sind die Eigenschaften? Warum sind sie gefährlich?	-sind Verbindungsklassen aromatischer Ether, mit max. acht Cl bzw. BrAtomen substituiert -entstehen durch Verbrennung bei Anwesenheit von Cl/Br und festem Kohlenstoff Temp. Bereich 180-600°C -langlebige Schadstoffe, hohe Toxizität (Krebs) katalytische Wirkung von Metallen
Von was sind die Schadstoffe bei Kraftfahrzeugen abhängig?	v.a. abhängig von Luftverhältnis λ und Gemischbildung.
Ottomotor: Welche Limitierte Abgaskomponenten gibt es? Welche Nichtlimitierte Abgaskomponenten gibt es?	-(Kohlendioxid CO2), Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoffe HC, Stickoxide NOx Partikel (alle Komponenten die unterhalb 51,7 °C auf Filter abgeschieden werden können); gasförmige Komponenten (Benzol, Toluol, Xylol, PAK, Aldehyde)
Dieselmotor: Limitierte Abgaskomponenten: Nichtlimitierte Komponenten:	(Kohlendioxid CO2), Kohlenmonoxid CO, Kohlenwasserstoffe HC, Stickoxide NOx, Partikel Cyanid, Ammoniak, SO2, Sulfate, Methan, Ethan, Benzol, Toluol, PAK, Phenole, Aldehyde (z.B. Formaldehyd)
Beispiel: Schadstoffbildung vs. Luftverhältnis im Gasmotor Welchen Wiederspruch gibt es?	Optimaler Wirkungsgrad vs. niedrige NOx Image: Unbenannt (binary/octet-stream)
Maßnahmen zur Emissionsminderung in Verbrennungsmotoren Motorische Maßnahmen:	• optimierte Gemischbildung • optimierter Brennverlauf • Brennverfahren • Brennraumgestaltung • Zündung
Einfluss der Biokraftstoffe auf die Schadstoffe: Biodiesel: Bioethanol:	Biodiesel: • weiniger Partikel (bis 50 %) • leicht höhere NOx • leicht höhere HC • CO2 Reduktion 35 – 80 % Bioethanol: • weniger CO • CO2 Reduktion 13 – 80 %
Welche Abgasnachbehandlungsmethoden gibt es?	Drei-Wege-Katalysatortechnik Parallele Oxidation von CO, HmCn sowie Reduktion von NOx
Drei-Wege-Katalysator: Was muss erfüllt sein damit er funktioniert? Aufbau, Betriebstemperaturen, wann gibt es Schäden?	nur bei Verbrennung mit λ = 1 möglich, geringe Abweichung in den mageren Bereich (λ > 1) bewirkt sprunghaften Anstieg der NOx-Emmissionen, da zu wenig CO für die Reduktion → nur bei Ottomotoren mit Lambdaregelung • Aufbau aus Keramik- oder Stahlfolienmatrix mit eingelagerten Katalysatoren Platin, Rhodium und Cer • hohe Temperaturen für Katalyse nötig (ca. 250 °C) → Einbau nahe Motor • thermische Schädigung ab ca. 600 °C • „Katalysatorvergiftung“ durch Schwefel, Phosphor, Zink, Arsen, Chlor, Fluor
Wie funkt. die Abgasreinigung beim Dieselmotor? Was gibt es noch?	Magere Verbrennung mit λ > 1 → hohe Sauerstoffkonzentration im Abgas, geringer CO-Gehalt → Reduktion von NOx wie im DreiWege-Kat nicht möglich! → Oxidation von CO und HC im Diesel-Oxidations Katalysator Partikelfilter: i.d.R. keramisch-monolithische Zellenfilter mit Hohen Abscheidegraden (– 99,5 %), auch im Kritischen Partikelgrößen-Bereich (10 – 500 nm). Regeneration der Beladung durch turnusmäßiges Abbrennen (Zyklus mehrerer hundert km, Indikator: Differenzdruck)
Wie funkt. die NOx-Reduzierung im Dieselmotor? Was ist SCR (Selektive katalytische Reduktion):	NOx-Speicherkat: Katalytische Reduktion nur in stöchiometrisch - fetten Abgas → Zwischenspeicherung von NOx im Katalysator (Aufoxidierung zu Nitraten, z.B. Bariumnitrat) im normalen Betrieb → zyklisches „Anfetten“ des Abgases mit Reduzierung der Nitrate über NOx zu N2 • Kontinuierliches Eindüsen von wässriger Harnstofflösung (Handelsname AdBlue) in den Abgasstrom • durch Hydrolyse → Wasser und Ammoniak • Ammoniak reduziert Stickoxide im Abgas zu Stickstoff
Wie funkt. Rauchgasreinigung bei stationären Anlagen? Primärmaßnahmen und Sekündärmaßnahmen	Vermeidung von Schadstoffen durch:(Primärmaßnahmen) -optimierte Feuerung -hohen Anlagenwirkungsgrad, -Brennstoffe mit wenig Schadstoffen Dennoch entstehende Schadstoffe müssen entsprechend der gesetzlichen Reglungen reduziert werden (Sekundärmaßnahmen) Üblich sind: • Entstickung • Entstaubung • Entschwefelung
Entstickung: Primärmaßnahmen: Sekundärmaßnahmen:	Primärmaßnahmen: • Rauchgasrezirkulation • Luftstufung • Brennstoffstufung Sekundärmaßnahmen: • SNCR (selektive nicht katalytische Reduktion) • SCR (selektive katalytische Reduktion)
Rauchrezirkulation:	• Einblasen von Rauchgas in die Verbrennungszone → Sauerstoffanteil sinkt, Verbrennungstemperatur sinkt • Reduzierung von thermischem NOx • Variables Konzept, Ausgeführung als "Low-NOx-Brenner"
Luftstufung:	• Zufuhr von Verbrennungsluft in mind. 2 Zonen • Abbau Brennstoffstickstoff zu N2 durch unterstöchiometrische Luftzufuhr • Anschließend Ausbrand durch Sekundärluft λ > 1 • NOx-Minderung von bis zu 75 % bei Holzfeuerungen mit hohem Brennstoffstickstoff!
SCR, SNCR Verfahren:	Umsetzung von NOx mit NH-Radikalen. Quelle für NH: Ammoniak, Harnstoff, Isocyansäure,… Wichtigste Reaktionen: 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O 2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O Ein Teil des Ammoniaks zerfällt direkt: 4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O Bei Temperaturen > 480 °C oxidiert Ammoniak teilweise selbst zu Stickoxiden: 4NH3 + 4O2 → 2N20 + 6H2O 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O
SNCR-Verfahren:	• Eindüsung von Ammoniak oder Harnstoff in Nachbrennkammer (Temperaturbereich: 850 – 950 C) • Überstöchiometrische Reduktionsmittelmenge nötig (Molverhältnis 1,8 – 2,2 für Harnstoff, 1,5 – 1,6 für Ammoniak) • Verweilzeit 0,5 – 1,5 s • Entstickungsraten bis 80 %
SCR-Verfahren:	• effektivster Temperaturbereich 320 – 400 °C • nur mit bereits abgekühlten Abgasen • vor / nach Entstaubung • bessere Ausnutzung des Reduktionsmittels • höhere Abscheidegrade • Reduktion um 80 – 95 % • Wabenartige, keramische Katalysatorträger mit TiO2
Entstaubung: Abscheidung durch welche Hilfmittel?	• ca. 6 – 10 % Aschanteil/Brennstoff (ca. 6 g/m³) • ca. 10 % Grobasche, 90 % Flugasche Schwer- bzw. Fliehkraftabscheidung (Zyklone) • Filtration (Gewebefilter, Keramikfilter, Schüttschichten) • Elektrische Feldkräfte (Elektrofilter) • Grenzflächenkräfte (Wäscher)
Elektrofilter Abscheideprinzip:	• negative Aufladung der Partikel im starkem elektrischen Feld • Transport der negativ aufgeladenen Teilchen zur positiv geladenen Niederschlagselektrode • Abscheidung an Niederschlagselektrode • Gleichspannung zw. 20 – 100 kV • kaum Einschränkungen bzgl. Partikelgröße → auch sehr kleine Partikel (Abscheideminimum zw. 0,2 und 0,5 µm)
Zyklone	• Fliehkraftabscheidung von Partikeln > 2 – 5 µm • Einhaltung vom Staubgrenzwert 150 mg/m³ bei Biomassefeuerungen mit unproblematsichen Brennstoffen (z.B. Hackgut) • rel. kostengünstig • Eingesetzt bei Holzfeuerungen von 100 kW – 5 MW • begrenzte Abscheideleistung → u.U. zusätzl. Filter nötig!
Wäscher	• Im Gasstrom dispergierte Partikel werden mit Tröpfchen der Waschflüssigkeit (Faktor 100 – 1000 größer) in Kontakt gebracht. • Benetzung → Agglomeration • Abtrennung Waschwasser + aggl. Partikel in Abscheidern • Druckverluste bis 400 mbar bei hohen Abscheidegraden (< 10 mg/m³)
Entsschwefelung	• v.a. bei Braun- und Steinkohle relevant; Biomasse nur geringe Schwefelgehalte! • am weitest verbreitet: Research-Cottrell-Verfahren • Abscheidegrade > 90 % • rel. günstiges Verfahren • Verwertung Gips als Baumaterial!
Minderung von HCl, Dioxinen und Furanen:	• Chlor aus best. Biomassen (z.B. Stroh) geht z.T. als HCl ins Abgas • Einhaltung von Grenzwerten durch Nasswäsche oder Kombination aus Feinstaub-Abscheidung und Trockensorption • Sorptionsmittel (z.B. Kalkhydrat Ca(OH)2) reagiert mit Cl zu Kalziumchlorid (Abscheidung am Gewebefilter) • Abscheidegrad ca. 90 % • Dioxin- und Furan-Verminderung durch Vermeidung bzw. Zeitreduzierung des Temperaturfensters der Denovo-Synthese (150 – 500 °C) • Betreiben von Filtern und Staubabscheidern unter 150 °C • katalytische Oxidation z.B. mit SCR
Emissionsminderung bei Biogas-BHKW	• Entschwefelung Biogas (biologisch, chemisch-physikalisch) • Magerbetrieb (λ = 1,2 – 1,6) zur Minimierung Emissionen (Leistungsverluste, Wirkungsgradverringerung) • Formaldehydbonus von 1ct/kWh für die ersten 500 kW bei Einhaltung der Grenzwerte • Oxidationskatalysatoren (Problem: Haltbarkeit!)

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