Homogene und heterogen-katalysierte Reduktion nitroser Komponenten in Rauchgasen von Kohlefeuerungen

Im Rahmen dieser Arbeit wird das Potential verschiedener Verfahren zur homogenen und heterogen-katalysierten Reduktion von Stickoxiden aus Kohlefeuerungen untersucht. Insbesondere die Minderung von Distickstoffmonoxid ("Lachgas", N2O), steht dabei aufgrund dessen besonderer Umweltrelevanz im Vordergrund.

Um die komplexen Vorgänge der Bildung und Reduktion von Stickoxiden verstehen zu können, sind detaillierte Kenntnisse der Reaktionskinetik notwendig. Daher wurden an einem Rohrreaktor aus Quarzglas experimentelle Untersuchungen mit synthetisch erzeugten Rauchgasen unterschiedlicher Zusammensetzung im Temperaturbereich von 300 bis 800 C durchgeführt. Im Fokus dieser Untersuchungen standen die thermische Zersetzung, die homogene Reduktion mit den flüssigen Additiven Ammoniak und Wasserstoffperoxid sowie die heterogen-katalysierte Reduktion über feste Katalysatoren, wobei sowohl Braun- als auch Steinkohlenkoks sowie palladium- und rhodiumdotierte Aluminiumoxide zum Einsatz kamen.

Zusätzlich wurden mit einer selbst entwickelten Software numerische Simulationen zu den verschiedenen Minderungsmaßnahmen durchgeführt. Dieses Simulationsprogramm mit der Bezeichnung KiNOx kann die Reaktionskinetik und die Strömung im Versuchsreaktor eindimensional abbilden. Darüber hinaus reduziert es das umfangreiche Reaktionssystem auf wenige Reaktionen und Gaskomponenten, um mehrdimensionale Berechnungen mit kommerziellen CFD-Codes zu ermöglichen.

Die Untersuchungen belegen, dass bei Temperaturen unterhalb von 800 C die thermische Zersetzung von N2O durch die Zugabe der flüssigen Additive über daraus gebildete OH-, H- und NH2-Radikale beschleunigt werden kann. Durch die schnelle Umsetzung der Radikale bleibt der N2O-Umsatz im Wesentlichen jedoch thermisch bestimmt. Die untersuchten Feststoffkatalysatoren lassen gegenüber der rein thermischen Zersetzung eine um den Faktor 150 bis 700 schnellere Umsetzung zu. Dabei weist Steinkohlenkoks das geringste, Braunkohlenkoks und der mit Palladium dotierte Katalysator ein vergleichbares und der mit Rhodium dotierte Katalysator das höchste Reduktionspotential auf.

Zusätzlich zur Reduktion von Distickstoffmonoxid kann vor allem durch die Zugabe von Ammoniak aber auch durch den Einsatz von Braunkohlenkoks eine Reduktion von Stickstoffmonoxid erzielt werden, die durch rein thermische Zersetzung nicht möglich ist. Die edelmetalldotierten Katalysatoren hingegen reduzieren unabhängig von der Gasgemischzusammensetzung im gesamten Temperaturbereich Kohlenmonoxid.

Durch die in dieser Arbeit vorgestellten Ansätze zur Beschreibung der Reaktionskinetik und die ermittelten Arrhenius-Parameter wird mit dem Programm KiNOx eine Vorausberechnung der Reduktion der Gaskomponenten N2O, NO und CO ermöglicht.