Luchtemissiebeperkende techniek – Selectieve (niet-)katalytische reductie

Inhoud

• Varianten en synoniemen
• Verwijderde stoffen
• Werkingsprincipe
• Toepasbaarheid
• Varianten techniek
• Installatie, ontwerp en onderhoud
• Milieuaspecten
• Financiële aspecten

Varianten en synoniemen

Selectieve katalytische reductie; selective catalytic reduction (SCR)

Selectieve niet-katalytische reductive; selective non-catalytic reduction (SNCR)

Verwijderde stoffen

Vooral: NO_x

Werkingsprincipe

Selectieve reductie van stikstofoxiden (NO_x, NO, NO₂) is een chemisch proces waarbij stikstofoxiden met een reductiemiddel gericht (selectief) chemisch worden omgezet tot atmosferische stikstof (N₂) en water. De meest gebruikte reductiemiddelen zijn ammoniak en ureum.

Het reductiemiddel wordt in het afgas gespoten waarna de reductiereactie bij hoge temperatuur kan plaatsvinden. In het geval van katalytische reductie (SCR) wordt het afgas over een katalysator geleid. De katalysator zorgt er dat het proces efficiënter en bij lagere temperatuur verloopt. Bij niet-katalytische reductie (SNCR) verloopt het proces zonder katalysator.

SCR en SNCR worden veelal toegepast voor de behandeling van rookgassen. Ammoniak (NH₃) kan zowel als gas of in een waterige oplossing worden toegepast. Ureum (NH₂-CO-NH₂) wordt opgelost in water toegepast. AdBlue is de gedeponeerde handelsnaam voor een 32,5%-oplossing van ureum. Door wisselende procesomstandigheden kan het voorkomen dat de behandelde gassen nog een restemissie ammoniak of ureum bevatten. Dit wordt ammoniakslip genoemd.

Toepasbaarheid

Selectieve reductie (SCR en SNCR) worden vooral toegepast voor het behandelen van rookgassen en afgassen met stikstofoxiden. SCR kent een breed toepassingsgebied in de volgende sectoren:

• afvalverbranding
• cementindustrie
• chemische industrie
• energiecentrales
• glastuinbouw
• metaalindustrie

Zeer Zorgwekkende Stoffen

SCR is specifiek gericht op het verwijderen van stikstofoxiden (NO_x). Stikstofoxiden zijn geen zeer zorgwekkende stof Klik hier voor uitleg over dit begrip (opent in popup), zodat SCR niet bedoeld is voor verwijdering van ZZS.

Combinatie van technieken

Katalytische reductie vindt plaats binnen een beperkte temperatuurbereik. Bij SNCR wordt de apparatuur doorgaans vrijwel direct na de vlam geplaatst, omdat de rookgassen dan nog heet genoeg zijn. Een SNCR kan zelfs deel uitmaken van de stookinstallatie als de ammoniak net na de verbrandingskamer wordt geïnjecteerd.

Bij SCR kan het nodig zijn om de afgassen vooraf af te koelen/verwarmen, ontstoffen en eventueel te behandelen om verstopping of vergiftiging van de katalysator te voorkomen. Na de reductiestap kan het nodig zijn om het ammoniakgehalte te verlagen (SCR, SNCR) of het afgas verder te behandelen voor andere verontreinigende stoffen (vooral SNCR).

Prestaties

De prestaties zijn in de volgende tabel aangegeven. De gepresenteerde waarden zijn afhankelijk van de specifieke configuratie en bedrijfscondities. De waarden zijn in principe gebaseerd op halfuurgemiddelde waarden. De waarden van de specifieke toepassing. Weergegeven zijn een redelijkerwijs te bereiken onderwaarde bij goed te beheersen processen en een bovenwaarde voor complexere processen. Een lagere waarde voor NO_x kan leiden tot een hogere waarde voor NH₃.

Emissie van ammoniak, voor zowel SCR als SNCR [mg/Nm³]. Gegevens afkomstig uit BVT 2016:

• P10: 0,7
• P50: 1,4
• P90: 13,1

Randvoorwaarden

Debiet [Nm³/uur]:

• P10: 2.500 (SCR) – 2.000 (SNCR)
• P50: 20.000 (SCR) – 5.500 (SNCR)
• P90: 37.000 (SCR) – 36.000 (SNCR)

Praktijkvoorbeelden van 1,5 miljoen Nm3/uur zijn ook bekend.

Temperatuur [°C]: 930 – 980 (SNCR) of 180 – 450 (SCR, afhankelijk van de katalysator). Fluctuaties van ongeveer 90 °C zijn acceptabel.

Druk [bar]: Atmosferisch

Drukval [mbar]: <10

Verblijftijd: 1 – 2 seconden

Stof: Stof in het rookgas hoeft geen probleem te zijn, zeker niet bij SNCR. Bij SCR kan stof een negatief effect hebben op de werking van de katalysator en dient daarom vooraf gefilterd te worden of een andere vorm van de katalysatordrager.

Ingaande concentratie: 10 g NO_x/Nm³

Varianten techniek

SNCR

De optimale temperatuur voor de reductiereactie is tussen de 930 – 980 °C (ammoniak) of tussen 950 – 1050 °C (ureum). De injectie van het reductiemiddel gebeurt na het verbrandingsproces, maar voor verdere behandeling van het rookgas. Temperatuur, de verhouding NH₃ / NO_x, goede menging en verblijftijd zijn de belangrijkste parameters voor de efficiëntie.

SCR

In vergelijking met SNCR vindt het SCR-proces plaats in een temperatuurbereik dat aanzienlijk lager is, namelijk 180 – 450 °C, afhankelijk van de katalysator. Doordat de werkingstemperatuur van SCR aanzienlijk lager is dan bij SNCR, en omdat de werking van de katalysator beperkt kan worden door verontreinigingen, wordt een SCR vaak geplaatst na andere emissiebeperkende technieken, zoals een stoffilter.

De katalysator moet beschermd worden tegen met name halogenen, alkalimetalen, aardalkalimetalen, fosfaat en zware metalen. Zwavel kan verwerkt worden door een SCR, maar dit vereist wel een temperatuur boven 300 °C. Een warmtewisselaar en soms een brander kunnen deel uitmaken van een SCR-systeem om de temperatuur van de SCR te kunnen beheersen.

De katalysator is typisch gemaakt van titaniumdioxide en aluminiumoxide als dragermateriaal met vanadium, wolfraam en molybdeen als actieve laag. Na een termijn van 5 – 10 jaar heeft de katalysator vervanging nodig, al is een langere levensduur mogelijk als het rookgas erg schoon is.

DESONOX-proces

Het DESONOX-proces is een gecombineerd proces voor de zwavel- en stikstofverwijdering uit rookgassen. Als eindproducten ontstaan geconcentreerd zwavelzuur en stikstofgas. De rookgassen worden voorafgaand aan DESONOX-stap ontstoft in een elektrostatisch filter. Het ontstofte rookgas wordt met ammoniak gemengd bij 450 °C en over een katalysator geleid om NO_x tot N₂ om te zetten. Vervolgens wordt het afgas over een andere katalysator geleid om SO₂ door oxidatie met zuurstof om te zetten in SO₃, dat met water dat reageert tot zwavelzuur.

In de nageschakelde stappen condenseert geconcentreerd zwavelzuur (ongeveer 70 %) bij een temperatuur van 120 °C. Dit stelt hoge eisen aan de gebruikte materialen. In een nageschakelde wasser wordt de resthoeveelheid zwavelzuur verwijderd.

Installatie, ontwerp en onderhoud

De belangrijkste ontwerpparameters zijn:

• debiet
• temperatuur
• molaire verhouding NH₃/NO_x
• verblijftijd

De molaire verhouding NH₃/NO_x waarbij gewerkt wordt ligt rond 1,0 - 1,1. Bij hogere verhoudingen wordt niet gereageerd ammoniak uitgestoten met een kans op bijkomende reacties zoals vorming van aerosolen met ammoniumchloride en ammoniumsulfaat.

Ook de reactie- of verblijftijd is belangrijk om een zo goed mogelijk omzetting te bekomen. Een te korte verblijftijd resulteert in een onvolledige reactie.

Retrofit van een SNCR is relatief eenvoudig, enkel de mondstukken om ammoniak / ureum te injecteren plus een opslagtank moeten geplaatst worden. De installatie van SCR kan complex zijn en forse bouwkundige aanpassingen vereisen.

Monitoring

Monitoring vindt plaats door het meten van de in- en uitgaande concentraties van NO_x, O₂ en reagens in het rookgas, alsmede de temperatuur en de drukval (bij SCR).

Milieuaspecten

De belangrijkste voordelen zijn:

• SNCR
  • eenvoudige installatie, ook bij retrofit
  • weinig ruimtebeslag
  • geschikt voor gasstromen met hoge concentraties stof
• SCR
  • werkzaam bij lagere temperatuur dan SNCR
  • geschikt voor NO_x-reductie uit alle bronnen, niet alleen stookinstallaties
  • lage uitstoot van ammoniak dan SNCR
  • bij installatie hoeft de stookinstallatie niet aangepast te worden

Nadelen zijn:

• SNCR
  • hoge temperatuur is noodzakelijk
  • uitstoot van ammoniak en lachgas
  • ongeschikt voor bronnen met een lage ingangsconcentratie NO_x
  • weinig geschikt voor bronnen met variabel debiet en emissieconcentratie
• SCR
  • kan voorgaande reinigingsstappen van het rookgas vereisen
  • uitstoot van ammoniak
  • ruimtebeslag
  • hogere investering ten opzichte van SNCR
  • hogere operationele kosten dan SNCR door vervanging van de katalysator en eventueel het opwarmen van de rookgassen
  • als SO₂ voorkomt in het rookgas, kan de katalysator dit omzetten naar SO₃

Hulpstoffen en energie

Water: Geen direct waterverbruik maar wel indirect omdat bij gebruik van ammonia en ureum als reductiemiddel deze in water zijn opgelost. In specifieke situaties kan koelwater voor de ingaande gasstroom bij SCR nodig zijn.

Chemicaliën:

• ammoniak of ureum. 570 kg / ton NOx verwijderd voor SNCR, of 370-450 kg / ton voor SCR
• katalysator (bij SCR)
• stoom (om de ammoniak te verdampen voor inspuiting)

Energieverbruik:

• SNCR: laag, enkel om de ammoniak in te spuiten
• SCR: laag indien rookgassen niet opgewarmd behoeven te worden, tot hoog als dat wel nodig is

Milieuafwegingen

Terugwinning: Niet van toepassing.

Lucht: Chemische reductie leidt tot uitstoot van ammoniak en bij SNCR ontstaat er lachgas (N₂O), wat een broeikasgas is. Indien het rookgas zwavelverbindingen bevat, kunnen er emissie van SO₃ optreden bij SCR. Ammoniak en gevormd SO₃ zullen tot 'secundaire aerosolen' (fijn stof) in de omgevingslucht leiden.

Afvalwater Niet van toepassing

Afval: Katalysator (bij SCR)

Veiligheid: Ammoniak is een giftig en brandbaar gas

Financiële aspecten

Investeringen [EUR per 1.000 Nm³/uur]:

• SNCR: 3.000 – 30.000
• SCR: 3.000 – 100.000

De kosten kennen een brede bandbreedte. Dit komt omdat in de praktijk de kosten ook zeer variëren. De onderkant van de bandbreedte past bij een nieuwe, middelgrote aardgasgestookte stookinstallatie in Nederland. De bovenkant van de bandbreedte is afkomstig van een grote afvalverbrandingsinstallatie binnen de EU.

Operationele kosten [EUR per ton NO_x verwijderd]:

• SNCR: 700 – 1.200
• SCR: 200 – 5.000

Operationele kosten

Dit is een opsplitsing van de operationele kosten. Ze tellen dus niet apart mee bij een kostenberekening. Zie ook Financiële aspecten op de pagina Opbouw van de factsheets.

Personeel [uur/week]: <1 – 16

Materiaal [EUR per ton NO_x verwijderd]:

• SNCR: 150 – 200 EUR per ton NOx verwijderd voor het reagens
• SCR: 150 – 200 EUR per ton NOx verwijderd voor het reagens, plus EUR 330/1.000 Nm3 rookgassen per uur voor de katalysator

Energieverbruik [kWh/1.000 Nm³]: Onbekend, maar er kan sprake zijn van significante energiebehoefte als her verhitting van rookgassen nodig is.

Baten: Geen

Kostenbepalende parameters: Verontreiniging van de rookgassen, verbruik van reagens, energieverbruik, kosten voor retrofit, katalysator

Informatiebronnen

1. Handreiking luchtemissiebeperkende technieken; DHV, 15 april 2009
2. BREF Waste Gas Management and Treatment Systems in the Chemical Sector; first draft, 2019
3. BREF Common Waste Water and Waste Gas Treatment/Management Systems in the Chemical Sector, 2016
4. VITO LUSS: selectieve (niet) katalytische reductie
5. Leverancier: Yara Nederland
6. Final Report supporting the article 12 review under the MCP directive, reference ENV.C.4/FRA/2015/0042, 12 december 2019. (kosten SCR)
7. BREF LCP tabel 7.13 (kosten katalysator SCR)