Welche Arten von Katalysatoren gibt es für SCR?

Katalysatoren werden nach ihrer Form in zelluläre, gewellte Platten- und Plattenarten unterteilt, wobei je nach Staubart und Einsatzbedingungen die geeignete Variante ausgewählt wird. Nach Temperatur wird zwischen Hochtemperatur und Niedertemperatur unterschieden, wobei die Grenze bei 280–320 °C liegt. Derzeit ist die Technologie für Hochtemperaturbereiche über 320 °C im Inland bereits ausgereift, während viele Hersteller in den Niedertemperaturbereichen noch nicht die optimale Lösung nutzen. Außerdem gibt es die Einteilung nach Inhaltsstoffen, die relativ vielfältig ist, wie zum Beispiel giftig oder ungiftig (je nach Vanadiumgehalt) usw

Derzeit gibt es drei gängige SCR-Katalysatoren auf dem Markt: wabenförmig, plattenförmig und wellplattenförmig. Zellstruktur wird häufig verwendet.

Die kommerziell verwendeten Katalysatoren für SCR-Systeme umfassen hauptsächlich Edelmetallkatalysatoren, Metalloxidkatalysatoren, Perovskit-Katalysatoren, Molekularsiebkatalysatoren sowie kohlenstoffbasierte Katalysatoren.

In der Industrie werden häufig plattige, wellenförmige und wabenförmige Strukturen verwendet. Sie weisen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen das Ablageren von Asche sowie gegen Korrosion auf. Was die mechanische Stärke und die Nutzfläche der Oberfläche angeht, haben die wabenförmigen und wellenförmigen Strukturen Vorteile. Zudem sind sie einfach in der Installation und im Austausch. Deshalb werden in großen vertikalen SCR-Reaktoren meist Katalysatoren mit dieser Struktur verwendet. Plattenkatalysatoren werden hauptsächlich in horizontalen Reaktoren eingesetzt, während granulare und zylindrische Katalysatoren nur in Anlagen zur Behandlung kleiner Gasmengen vorkommen. Bei der Konstruktion von zellulären Katalysatoreinheiten müssen geeignete Abstände sowie Wandstärken berücksichtigt werden. Zudem müssen die Ränder der Einheiten durch eine Oberflächenhärtung versehen werden, um die Widerstandsfähigkeit gegen Abtragsverschleiß zu erhöhen. Wabenförmige Katalysatoren eignen sich für einen von oben nach unten fließenden Rauchstrom, plattenförmige Katalysatoren für einen vertikalen Rauchstrom und können auch für einen horizontalen Fluss verwendet werden. Auf dem Markt sind die wichtigsten Formen von Katalysatoren die plattenartigen (einschließlich wellenförmiger) sowie die wabenförmigen. Plattkatalysatoren bestehen aus einem aktiven Material, das auf einem Metallgerüst aufgetragen wird. Zwischen den Platten sind große Poren vorhanden, wodurch der Widerstand gering ist. Allerdings ist die Kontaktfläche pro Volumeneinheit klein, weshalb eine größere Menge an Katalysator erforderlich ist. Da die Plattenkatalysatoren über ein metallisches Gerüst verfügen und daher eine hohe Festigkeit aufweisen, kann ihre Länge bis zu 1500 mm betragen. Um eine ähnliche Dehnungseffizienz zu erreichen, kann die Anzahl der Katalysatorschichten verringert werden. Dadurch können SCR-Reaktoren kompakter gebaut werden und weniger Platz beanspruchen. Der größte Vorteil von Plattenkatalysatoren ist, dass sie nicht so leicht verkeilt werden. Da der SCR in der Regel vor dem Vorwärmerturm installiert wird, kann die Konzentration der Asche im Abgas bis zu 15–20 g/m³ betragen (unter Standardbedingungen). Wenn der Abstand zwischen den Katalysatoren zu gering ist, kann dies zu Verstopfungen durch die Asche sowie zu erhöhtem Verschleiß führen – mit der Folge eines gesteigerten Widerstands im System. Im Allgemeinen ist die Geschwindigkeit der Rauchgase in den Zwischenräumen des Katalysators nicht gleichmäßig; die durchschnittliche Geschwindigkeit beträgt etwa 8 m/s. In Bereichen mit einer Geschwindigkeit von unter 3 m/s kann der Ascheaufwand am Katalysator haften bleiben und so den Kontakt zwischen dem Katalysator und den Abgasen behindern. Laut einer Studie von BHK beträgt der Anteil der Bereiche im plattenförmigen Katalysator, in denen die Strömungsgeschwindigkeit unter 3 m/s liegt, etwa 13 %. Im zellulären Katalysator sind es etwa 22 %. Daher ist das Problem des Wachsansammelns in zellulären Strukturen gravierender als bei flachen Strukturen. Die Lösung besteht darin, die Länge der Katalysatorzellen zu vergrößern. In Kohlekraftwerken sollte die Länge der Zellen eines wabenförmigen Katalysators in der Regel 6 mm betragen. Je größer die Länge ist, desto geringer ist die Oberflächenfläche des Katalysators – und umso mehr Katalysator ist erforderlich. Wenn in Kohlekraftwerken häutchenförmige Katalysatoren verwendet werden, kann der Verbrauch um etwa 20 % im Vergleich zu plattenförmigen Katalysatoren reduziert werden. Allerdings ist der Preis pro Einheit dieser häutchenförmigen Katalysatoren um etwa 20 % höher als bei den plattenförmigen Katalysatoren. Insgesamt sind die Kosten beider Arten von Katalysatoren jedoch ähnlich. Doch in Gas- und Kraftstoffkraftwerken kann aufgrund des sehr niedrigen Aschengehalts die Länge der Zellen des kugeligen Katalysators verringert werden, um die Oberflächenfläche zu erhöhen und somit den Bedarf an Katalysator zu senken. Außerdem weisen Gasturbinen eine gute Leistung bei schnellem Starten und Stoppen sowie eine rasche Erwärmung auf. Die Aktivstoffe in den auf dem Metallgerüst befestigten Plattenkatalysatoren können aufgrund von Wärmebelastungen leicht deformiert werden und dadurch ihre Funktionalität verlieren. Deshalb werden in Gasturbinenanlagen häufig wabenförmige Katalysatoren eingesetzt. Die Querschnittsfläche einer typischen zellulären Katalysatorzelle beträgt 150 mm × 150 mm. Aufgrund der großen effektiven Fläche pro Volumeneinheit ist zur Erreichung desselben Denitrifikationseffekts eine geringere Menge an Katalysator erforderlich als bei plattenförmigen Systemen. Da jedoch TiO2 als Träger des Katalysators dient und durch die Gesamtstärke eingeschränkt ist, kann die Länge eines herkömmlichen kugeligen Katalysators in der Regel nur bis zu 1000 mm betragen. Bei der tatsächlichen Verwendung eines katalytischen Katalysators mit zellulärer Struktur sind die Querschnittsabmessungen der Einheiten standardmäßig, während die Länge von der Höhe der Schicht bestimmt wird. Aufgrund der kleinen Zwischenräume zwischen den Katalysatoren im zellulären Aufbau entsteht ein hoher Fließwiderstand. Deshalb ist eine geringere Geschwindigkeit des Rauchgases erforderlich als bei plattenförmigen Katalysatoren. Dadurch erhöht sich die Querschnittsfläche des Reaktors. Tabelle 7-3 zeigt die Abmessungen des Reaktors für eine 600-MW-Kraftanlage mit einem Reaktor – unter Verwendung von zwei verschiedenen Katalysatortypen. Man ist der Ansicht, dass der leistungsstärkste SCR-Katalysator eine gewellte Struktur aufweist, der als Träger verstärkte, faserförmige Titandioxid-(TiO2)-Strukturen verwendet und eine feine Mischung aus V2O5 und WO3 gleichmäßig auf der Oberfläche des Katalysators verteilt. Diese besondere Herstellungsweise sorgt dafür, dass der Katalysator eine höhere Aktivität sowie eine geringere Verträgung gegenüber der Passivierung aufweist. Zudem weist er eine gute mechanische Festigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit auf. Derzeit können die Hersteller Katalysatoren in 6 verschiedenen Ausführungen anbieten, die für Betriebsbedingungen mit niedrigem sowie hohem Asengehalt geeignet sind. Diese Katalysatoren weisen eine relativ geringe Porosität sowie einen niedrigen V2O5-Gehalt auf; dadurch ist die Oxidationsrate von SO2 gering, während die Dehnitrierungsaktivität hoch ist. Dies wurde auch durch praktische Anwendungen bestätigt. Es gibt zwei Standardmodule dieses Katalysatorprodukts, nämlich A und H. Ihre Masse beträgt jeweils etwa 50 kg bzw. 27 kg. Sie sind widerstandsfähig gegen Vibrationen und können leicht transportiert werden. Einzelmodule werden häufig in kleinen Verarbeitungseinheiten verwendet, während für große Geräte eine Kombination aus Modulen erforderlich ist. Um die Installation in großen Geräten zu erleichtern, werden in der Regel mehrere Einzelmodule zu größeren Modulen zusammengefügt. Ein solches großes Modul setzt sich in der Regel aus 12 bis 16 Einzelmodulen zusammen. Die Anzahl der zu verwendenden Module wird in Abhängigkeit von der Größe des Systems und der Anordnung der Geräte bestimmt. Laut dem Hersteller kann dieser Katalysator in Bedingungen mit hohem Volumenstrom, hohem Staubgehalt sowie hohen NOx-Konzentrationen eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Abgasstrom bis zu 2.100.000 m3/h betragen ； Der Volumenanteil an NOx beträgt 2000 × 10-6 ； Die Massenkonzentration der Flugasche beträgt 25 g/m³. Katalysatoren verlieren aufgrund von Vergiftung, Sinterung, Verstopfung, Abnutzung und Alterung allmählich ihre Aktivität – das ist normal. Deshalb müssen sie in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden. In der Regel beträgt die Lebensdauer der für Kohleverbrennungsabgase bestimmten Katalysatoren, die vom Hersteller geliefert werden, 10.000 bis 30.000 Stunden. Wenn die Aktivität des Katalysators auf einen bestimmten Wert abfällt, zeigt das System eine sinkende Dehnitrierungsleistung oder einen Anstieg des Ammoniakaustritts. Wenn einer dieser beiden Faktoren nicht mehr den vorgeschriebenen Anforderungen entspricht, muss der Katalysator ausgetauscht werden. Wabenartige Katalysatoren werden in der Regel als Elemente in Standardgrößen hergestellt. Mehrere dieser Elemente bilden wiederum Module, die in speziellen Rahmenstrukturen untergebracht werden. Aus mehreren solchen Modulen entsteht schließlich eine Katalysatorschicht. In jedem Reaktor befinden sich in der Regel 3 bis 4 solcher Katalysatorschichten. Die Anzahl der Schichten muss anhand der tatsächlichen Bedingungen sowie der erforderlichen Entstickungseffizienz festgelegt werden. Egal ob bei erneuter Befüllung oder regelmäßiger Erneuerung, müssen die vorgeschriebenen Verfahren eingehalten werden. Dazu sind spezielle Werkzeuge sowie eine geeignete Arbeitsfläche erforderlich.