Abtrennung gasförmiger Luftverunreinigungen
Nachdem die Staubabscheidung lange Zeit im Mittelpunkt der Abluftreinigung stand, ist heute die Beseitigung von Schadgasen zumindest von gleichwertigem Interesse. Falls feste und gasförmige Schadstoffe gleichzeitig auftreten, können sie durchaus mit einer einzigen Reinigungsstufe entfernt werden. In der Regel ist jedoch die Staubabscheidung vorgeschaltet.
Um gasförmige Verunreinigungen aus Abluft abzuscheiden, werden eine Reihe von Trenntechniken angewandt. Am häufigsten sind dabei Absorption (Aufnahme), Kondensation (Verflüssigung), Adsorption (Anlagerung) und Oxidation (Verbrennung). Demgegenüber stellen die erst in letzter Zeit zur Abluftreinigung eingesetzten Membranverfahren (Gas- oder Dampfpermeation) sowie die Abscheidung durch biologische Reaktionen noch Sonderfälle dar. Allerdings haben biologische Verfahren ein großes Potenzial, das in Deutschland erst zu rund zwei Prozent genutzt wird.Es gibt derzeit etwa 500 Anlagen zur biologischen Abgasreinigung, die rund 4000 Tonnen Schadstoffe aus dem Abgas entfernen können.
Die Mehrzahl der Verfahren wird in kleinen Anlagen realisiert. Sie sind für den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegt und weisen so auch eine Vielzahl individueller Merkmale auf. Anders ist das beim Autokatalysator oder bei der Rauchgasentschwefelung, die entweder massenhaft in gleicher Ausführung eingesetzt werden oder aber durch ihre besondere Bedeutung in der Luftreinhaltung auch in der Öffentlichkeit bekannt sind.
Autokatalysator
Seit dem Zweiten Weltkrieg hat sich der motorisierte Individualverkehr sprunghaft entwickelt. Sein Anteil am gesamten Personenverkehr in Deutschland betrug im Jahr 1996 fast 82 Prozent, im Güterverkehr hatte der Straßenverkehr einen Anteil von 66 Prozent. Ähnlich ist die Situation in anderen Industrieländern, und der Trend zur Straße hält weiterhin an.
Schon in den 1950er-Jahren führten die stickoxid- und kohlenwasserstoffhaltigen PKW-Abgase in verkehrsreichen Ballungsgebieten — typisch dafür amerikanische Riesenstädte wie Los Angeles — immer wieder zum Photosmog. Um dem entgegenzuwirken, sind in den USA bereits seit 1975 Katalysatoren für Kraftfahrzeuge in großem Umfang im Einsatz, in Deutschland seit der Einführung strengerer Abgasgrenzwerte im Jahr 1985. Mit ihrer Hilfe sollen die Abgaskonzentrationen der gasförmigen Hauptschadstoffe Kohlenmonoxid, Stickoxide und Kohlenwasserstoffe deutlich reduziert werden. Kohlenmonoxid entsteht bei der unvollständigen Verbrennung von Benzin, Stickoxide bilden sich bei den hohen Temperaturen im Verbrennungsraum der Motoren aus Luftstickstoff und -sauerstoff, und Kohlenwasserstoffe sind unverbrannte Benzinbestandteile. Die früher dem Benzin als Antiklopfmittel zugegebenen Bleiverbindungen, die zu 75 Prozent mit dem Abgas wieder emittiert wurden, spielen heute wegen der praktisch abgeschlossenen Umstellung auf bleifreies Benzin keine Rolle mehr. Sie würden nämlich den Katalysator unwirksam machen (ihn »vergiften«). Deswegen muss man bei einem PKW mit Abgaskatalysator stets bleifreies Benzin tanken.
Der »Kat« gehört mittlerweile zur Grundausstattung aller neu gefertigten Automobile mit Benzinmotoren (Ottomotoren). Ein zweites wichtiges umwelttechnisches Einsatzgebiet von Katalysatoren ist die katalytische Entstickung von Kraftwerkabgasen. Durch beide Anwendungen ist die Nutzung von Katalysatoren für Aufgaben des Umweltschutzes sprunghaft gestiegen. Dies spiegelt sich im Anteil wider, den die Katalysatoren für Umweltschutzaufgaben am gesamten Weltmarkt für Katalysatoren haben: Er lag 1987 bei zwölf, 1995 dagegen schon bei 45 Prozent.
Aufbau und Wirkungsweise des Drei-Wege-Katalysators
Für die Abgasreinigung hat sich bei Personenkraftwagen mit Benzinmotor das Konzept des geregelten Drei-Wege-Katalysators weitestgehend durchgesetzt.
Der Katalysator hat eine schwierige Aufgabe: Er soll dafür sorgen, dass alle drei im Abgas unerwünschten Verbindungen gleichzeitig und optimal umgewandelt (abgebaut) werden, daher auch der Name Drei-Wege-Katalysator. Das Problem dabei ist, dass dieser Abbau chemisch gegensätzliche Reaktionen erfordert, die aber zugleich ablaufen müssen: Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid lassen sich auf oxidativem Weg abbauen, die Stickoxide dagegen nur durch Reduktion. Damit diese Oxidations- und Reduktionsvorgänge simultan ablaufen können, muss in sehr exakter Dosierung die benötigte Luftmenge zugeführt werden oder — wie der Ingenieur sagt — die zugeführte Luftmenge nahezu gleich der theoretisch benötigten sein. Das Verhältnis beider Größen, die Luftüberschusszahl λ (»Lambda«) muss daher recht genau gleich Eins sein; sie wird in der Praxis zwischen 0,98 und 1,02 eingestellt. Das gelingt nur mit einer schnell reagierenden Regelung des Benzin-Luft-Gemischs. Die nötige Regeleinheit besteht aus einem schnell messenden Sauerstoffsensor (der Lambdasonde) vor dem Katalysator, einem elektronischen Steuergerät und einer dadurch geregelten Benzineinspritzung.
Die Wirksamkeit der vielfältig mechanisch, thermisch und chemisch beanspruchten Katalysatoren lässt mit der Zeit nach; sie sollten spätestens nach etwa 100 000 Kilometern ausgewechselt werden.
Verfahren zur Rauchgasentschwefelung
Die Abscheidung des vor allem aus fossilen Brennstoffen freigesetzten Schwefeldioxids (SO2) war nach der Staubabscheidung die zweite große Problemstellung für den technischen Emissionsschutz, besonders seitdem 1983 die Großfeuerungsanlagen-Verordnung in Kraft trat. Denn diese Verordnung legte für Anlagen mit mehr als 300 Megawatt Leistung Grenzwerte für den Gehalt an Schwefeldioxid und an Stickoxiden im Rauchgas fest, die ab Juli 1988 nicht mehr überschritten werden durften: Der Schwefeldioxidgehalt muss unter 400 Milligramm pro Kubikmeter und der Stickoxidgehalt, je nach Anlagentyp, unter 100—400 Mikrogramm pro Kubikmeter liegen — Forderungen, die sich bei Heizöl-, Braun- und Steinkohlenfeuerungen nur durch nachgeschaltete Entstickungs- und Entschwefelungsanlagen erfüllen lassen. Im Ergebnis dieser Verordnung verringerte sich die Schwefeldioxidemission aus Großfeuerungsanlagen in den Jahren von 1985 bis 1996 um fast 75 Prozent, die Emissionen von Stickoxiden um etwa 65 Prozent.
In der Praxis reinigt man das Rauchgas von Kohlekraftwerken meistens in drei Schritten. Dabei werden zunächst die Stickoxide entfernt und danach wird der Staub abgeschieden. Im dritten Schritt schließlich folgt die Entschwefelung in einer Rauchgasentschwefelungsanlage (REA) — bei bestimmten Anlagen erfolgen diese Schritte auch in anderer Reihenfolge oder simultan.
Verfahren zur Rauchgasentschwefelung wurden in den 1970er-Jahren in Japan speziell für ölbeheizte Kraftwerke entwickelt. Heute gibt es etwa 100 verschiedene Verfahren, weil die Anlagen nach den spezifischen Bedingungen — das sind hauptsächlich die Art des Brennstoffs und dessen Schwefelgehalt — ausgelegt werden müssen. Die meisten Verfahren nutzen jedoch das Trennprinzip der Absorption. Dabei hat sich in den Großkraftwerken das Waschverfahren auf Kalkbasis — ein »nasses« Verfahren — mit einem Marktanteil von über 90 Prozent in Europa durchgesetzt. Im rheinisch-westfälischen Revier wird dieses Verfahren beispielsweise seit 1988 an 37 Großkesselanlagen mit einer Gesamtleistung von 9 300 Megawatt angewendet.
Die nasse Rauchgasentschwefelung
Chemisch betrachtet, bereitet die Umsetzung des schwefeldioxidhaltigen Rauchgases mit alkalisch reagierenden Stoffen keine Probleme. Technisch aufwendig ist sie allerdings, wenn stündlich 2,5 Millionen Kubikmeter Rauchgas in einer Anlage gereinigt werden müssen, wie dies in einem Steinkohlekraftwerk mit einer durchschnittlichen Leistung von 700 Megawatt der Fall ist. Wird in einem solchen Kraftwerk Ruhrkohle eingesetzt, werden dabei 2,5 Tonnen Schwefel mitverbrannt. Ein Braunkohlekraftwerk vergleichbarer Leistung liefert stündlich sogar die zweieinhalbfache Rauchgasmenge.
Sehr häufig wird in deutschen Kohlekraftwerken das Schwefeldioxid mit einer kalk- oder branntkalkhaltigen wässrigen Waschflüssigkeit aus dem Abgas herausgewaschen. Als Endprodukt einer Reihe von Prozessen entsteht Gips; in vielen Regionen reicht die so anfallende Gipsmenge aus, um den gesamten Bedarf an Gips für Industrie und Bauwirtschaft zu decken.
Dr. Klaus-Peter Meinicke
Grundlegende Informationen finden Sie unter:
Luftverschmutzung und ihre Folgen
Staubabscheider: Damit staubhaltige Luft sauber wird
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