Konzepte zur Optimierung der Selektiven Katalytischen Reduktion (SCR) von Stickoxiden bei der Verbrennung biogener Rest- und Abfallstoffe

Titelangaben

Wöhrl, Thomas ; König, Mario ; Ritter, Thomas ; Sauter, Andre ; Eisazadeh, Hessam ; Hagen, Gunter ; Moos, Ralf:
Konzepte zur Optimierung der Selektiven Katalytischen Reduktion (SCR) von Stickoxiden bei der Verbrennung biogener Rest- und Abfallstoffe.
2023
Veranstaltung: 11. Statuskonferenz Bioenergie , 20.-22.9.2023 , Leipzig.
(Veranstaltungsbeitrag: Kongress/Konferenz/Symposium/Tagung , Vortrag )

Angaben zu Projekten

Abstract

Motivation
Die Verwendung biogener Rest- und Abfallstoffe, wie z.B. Stroh und anderer Halmgüter aus der Landwirtschaft und Landschaftspflege, als erneuerbare Energieträger bietet im Hinblick auf die Emission von Treibhausgasen einen Vorteil gegenüber fossilen Brennstoffen. Durch die thermische Verwertung von Biomasse konnten in Deutschland im Jahr 2020 bereits 76,3 Mio. t CO2-Äquivalente eingespart werden, was ungefähr 10 % der Gesamt-Treibhausgasemission entspricht. Allerdings steht die Biomasse-Verbrennung seit geraumer Zeit aufgrund erhöhter Schadstoffemissionen in der Kritik. Besonders bei der Verbrennung biogener Rest- und Abfallstoffe treten neben erhöhten Partikelemissionen auch erhöhte Stickoxidkonzentrationen im Abgas auf. Daher ist der Einsatz von Systemen zur Selektiven Katalytischen Reduktion (SCR) zur Minderung der Stickoxide zumindest bei Anlagen mit einer Leistung > 100 kW erforderlich, um die gesetzlichen Emissionsvorschriften einhalten zu können. Auch die Emission von Ammoniak, der als Reduktionsmittel für die Stickoxide verwendet wird, sollte aufgrund der gesundheitsgefährdenden Wirkung verhindert werden. Aus diesem Grund befasst sich das Projekt mit der Entwicklung von zwei Konzepten, mit deren Hilfe eine verbesserte Betriebsstrategie zur Ammoniak- bzw. AdBlue-Dosierung erreicht werden kann.
Sensorkonzept
Als erste Variante wird ein selektiver Ammoniak-Sensor auf keramischer Basis untersucht. Die Ammoniak-Detektion geschieht hier über eine Zeolith-Funktionsschicht, deren elektrische Eigenschaften mit Hilfe einer Interdigital-Elektroden-Struktur (IDE) vermessen wird. Durch den Betrieb bei einer Temperatur im Bereich um 400 °C, die durch eine Heizleiterstruktur auf der Rückseite des Sensors bereitgestellt wird, stellt sich ein Gleichgewicht aus Ad- und Desorption der Ammoniak-Moleküle am Zeolithen ein. Dadurch ergibt sich ein konzentrationsabhängiges Signal, mit dem ein auftretender Ammoniak-Schlupf detektiert werden kann. Erste Messungen an einer Biomassefeuerung mit einer Ammoniak-Dosierung zeigen eine gute Empfindlichkeit gegenüber Ammoniak und keine Querempfindlichkeiten gegenüber CO und Kohlenwasserstoffen. Der Sensor kann somit auch zum Monitoring des Ammoniak-Schlupfes eingesetzt werden.
Hochfrequenz-Diagnose
Neben der Verwendung des Sensors soll als zweite Alternative die Aktivität von SCR-Katalysatoren mittels einer Hochfrequenz-Diagnose untersucht werden. Dabei wird durch zwei Antennen (Koppelemente) eine stehende elektromagnetische Welle innerhalb des Katalysatorgehäuses erzeugt, deren Resonanzfrequenz und -güte von den dielektrischen Eigenschaften des Katalysatormaterials abhängig ist. Durch die Beladung des SCR-Katalysators mit Ammoniak für die ablaufende SCR-Reaktion ändert sich u.a. die Permittivität des Materials und somit die Resonanzfrequenz des Systems. Damit kann der Beladungszustand des Katalysators bestimmt und auf ihn geregelt werden, um einen Ammoniak-Schlupf vermeiden und trotzdem einen hohen NOx-Umsatz sicherstellen zu können.
Zusammenfassung und Ausblick
Nach den erfolgreichen Funktionsnachweisen im Labor und ersten Messreihen im Realabgas von Biomasse-Verbrennungsanlagen zur Evaluation der beiden Konzepte folgen im weiteren Verlauf des Projekts ausgiebige Testläufe an den Feuerungsanlagen.