Katalysator halbiert Stickstoffoxide bei Zementherstellung
Die Zementindustrie stellt sich auf schärfere Grenzwerte für Stickstoffoxide (NOx) ein. Eine Firma halbiert die NOx-Fracht bereits erfolgreich. Eine zweite will 2011 folgen. Bewährt sich das Verfahren, schreibt es einen neuen Stand der Technik fest.
Bis zu 1 Mio. t Zement pro Jahr stellt die Schwenk Zement KG im baden-württembergischen Mergelstetten her. Das Vorprodukt – der Zementklinker – wird bei ca. 1450 °C in einem Drehrohrofen hergestellt. Je 1 m³ Abgas entstehen rund 1000 mg NOx. Aus dem Ofen durften seit Ende 2002 bis zu 500 mg NOx/m³ und seit dem Herbst 2007 nur noch 400 mg NOx/m³ in die Umwelt gelangen. Um diese Werte einzuhalten, wird NOx mit der selektiven nicht katalytischen Reduktion (SNCR) in elementaren Stickstoff umgewandelt (s. Kasten).
Doch Schwenk will mehr: die tatsächlichen Emissionen halbieren und im Tagesmittel auf unter 200 mg NOx/m³ senken. Dazu erprobt man in Mergelstetten eine Anlage zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR). Dafür bieten sich die „low dust“- oder die „high dust“-Variante an. Die Firma hat sich für „viel Staub“ entschieden: Das staubbeladene Abgas tritt mit etwa 400 °C aus dem Zyklonvorwärmer aus und wird direkt in die SCR-Anlage geleitet, bevor der Staub durch einen Gewebefilter abgeschieden wird.
Die SCR-Anlage ist 45 m hoch. Sie hat 10,3 Mio. € gekostet, wovon das Bundesumweltministerium (BMU) 30 % trägt. Auf jeder der sechs Ebenen ist Platz für 18 Katalysatormodule. Jedes Modul ist 1,3 m lang, die Kanäle sind sechseckige Waben. Der Stegabstand beträgt 12 mm. Die Waben sind drei- bis viermal so groß wie bei Katalysatoren für Kohlekraftwerke. Seit April 2010 läuft die Anlage. Drei Ebenen sind mit Katalysatoren bestückt.
Mit dem Betrieb der SCR-Anlage hat das Regierungspräsidium in Stuttgart den NOx-Tagesgrenzwert auf 200 mg gesenkt und für den Probebetrieb Ausnahmen bis 350 mg zugelassen. Erste Messungen zeigten, „die NOx-Emissionen lassen sich unter 200 mg/m³ senken“, sagte Detlef Edelkott den VDI nachrichten. Er ist der für Energie- und Verfahrensfragen zuständige Ingenieur der Gruppe Süd der Schwenk Zementwerke.
Auch der Grenzwert von 30 mg Ammoniak/m³ Abgas wird eingehalten. Ammoniak (NH3) wird bei beiden Techniken eingesetzt, um NOx zu reduzieren. Theoretisch lässt sich der 200-mg-Wert auch mit der SNCR-Technik erreichen. Dazu müsste viel NH3 eingedüst werden, was zu unerwünscht hohen NH3-Emissionen führen würde. Fachleute sprechen hier vom Ammoniakschlupf.
Die ersten Erfahrungen sind zwar gut, „doch wir wissen noch nicht, was das an Betriebskosten mit sich bringt“, so Edelkott. Offen ist, wie schnell die Katalysatoren durch physikalische und chemische Beanspruchung verschleißen:
-Stündlich werden bis zu 20 t Staub durch den Katalysator geschickt. Der Staub kann die Wabenkanäle in wenigen Minuten verstopfen. Um das zu verhindern, blasen Kompressoren regelmäßig Druckluft durch die Waben.
-Katalysatorgifte wie Chloride, Sulfate und Schwermetalle aus Rohmaterialien und dem Brennstoff können die katalytische Aktivität senken. Der Ofen wird zurzeit mit bis zu 100 % mit Gewerbe- und Siedlungsabfällen, Tiermehl und entwässertem Klärschlamm befeuert.
Edelkott wagt eine grobe Schätzung: Bleiben die Katalysatoren im Schnitt drei Jahre funktionsfähig, muss bei drei Lagen jährlich eine ausgewechselt werden. Bei ca. 200 000 €/Lage verteuert sich die Zementherstellung dann im Rahmen der Erwartung. Müssten allerdings mehrere Lagen ausgewechselt werden, würde es teurer. Hinzu kommt, dass die SCR-Anlage derzeit bis zu 0,5 MW elektrische Leistung benötigt und damit den Energieverbrauch erhöht.
2013 sollen alle Messungen abgeschlossen sein. Dann wird klar sein, ob die SCR-Technik in Mergelstetten funktioniert und wie sie sich am besten mit der SNCR-Technik im Sinne des Umweltschutzes und der Wirtschaftlichkeit kombinieren lässt.
Doch die Erfahrungen aus Mergelstetten lassen sich nicht 1:1 auf jedes Zementwerk übertragen. Dafür sind die Bedingungen in den Werken hinsichtlich der Roh- und Brennstoffe sowie der Verfahrenstechnik zu unterschiedlich. Daher hält das BMU parallele Technikentwicklung für nötig und unterstützt im bayrischen Rohrdorf die Portland-Zementwerke in einem zweiten Projekt. Sie wollen die NOx-Emissionen mit dem „low dust“-Verfahren senken. Die Anlage soll 2011 in Betrieb gehen.
Hierbei soll der Katalysator von fast staubfreiem Abgas durchströmt werden. Dazu muss das heiße Abgas nach dem Zyklonvorwärmer weiter abgekühlt werden, damit es bei Temperaturen unterhalb von 200 °C entstaubt werden kann. Über einen Wärmetauscher wird die Wärme zur Stromerzeugung ausgekoppelt. Dann muss das gekühlte Abgas wieder auf mehr als 250 °C aufgeheizt werden, damit der Katalysator die NOx-Emissionen wirksam reduzieren kann.
Schwenk und die Portland-Zementwerke engagieren sich nicht ganz freiwillig. Es sei absehbar, so Edelkott, „dass die Vorgaben für NOx-Emissionen schärfer werden“. Denn 2010 wird Deutschland die EU-Richtlinie über nationale Emissionshöchstmengen für bestimmte Luftschadstoffe voraussichtlich nicht erfüllen: Nach Schätzungen des Umweltbundesamtes (UBA) werden etwa 6 % zu viel NOx und 10 % zu viel NH3 emittiert. „Um diese Emissionen zu senken, müssen auch Zementwerke einen Anteil leisten“, sagte UBA-Expertin Maja Bernicke.
Der Verein Deutscher Zementwerke (VDZ) erwartet, dass mittelfristig alle Zementwerke in Deutschland weniger als 200 mg NOx/m³ emittieren dürfen. Dieser Wert wird im aktuellen Merkblatt zur besten verfügbaren Technik für die Zement- und Kalkindustrie vom Mai 2010 bereits als machbar bezeichnet.
Zum Teil verlangt Deutschland den 200-mg-Tagesgrenzwert für Zementwerke bereits: dann, wenn der Ofen vollständig mit Abfall befeuert wird. So steht es in der Verordnung über die Verbrennung und die Mitverbrennung von Abfällen.
Für Zementwerke, die zwischen 60 % und 100 % Abfälle einsetzen, schwankt der Grenzwert bis 320 mg/m³. In Einzelfällen können Genehmigungsbehörden von diesen Vorgaben abweichen. Einige Behörden warten jetzt ab, ob sich die Projekte in Mergelstetten und in Rohrdorf bewähren und ob sie als Stand der Technik anzusehen sind.
Mit der Verordnung geht Deutschland über EU-Vorgaben hinaus: Die neue Richtlinie über Industrieemissionen, die u. a. die IVU-Richtlinie und die Abfallverbrennungsrichtlinie bündelt, sieht für Zementwerke, die Abfälle mitverbrennen, 500 mg NOx/m³ als Mindestgrenzwert vor. Dieser gilt in Deutschland nur bei Zementwerken, die zwar Abfälle einsetzen, dies aber zu weniger als 60 % tun. R. AHRENS
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