Untersuchung eines trockenen Verfahrens zur Minderung der Schwefeloxide in Schiffsabgasen
Dipl.-Ing. Christoph Schladör, Prof. Dr.-Ing. Horst Rulfs, Technische Universität Hamburg-Harburg
Die zukünftigen Grenzwerte der „International Maritime Organization“ (IMO) für den Schwefelgehalt in Schifffahrtskraftstoffen werden besonders in den „Emission Control Areas“ die Schwefelemissionen durch die Schifffahrt ab 2015 deutlich reduzieren. Die Kosten werden durch die Verwendung von Marine Gasöl mit 0,1 % Schwefel um ca. 50 % steigen. Als Alternative zu schwefelreduzierten Kraftstoffen erlaubt die IMO den Einsatz von Abgasreinigungsanlagen, mit denen im Abgas die gleichen Schwefeloxid-Konzentrationen wie mit 0,1 % Kraftstoffschwefel erreicht werden müssen. Seit November 2009 ist der Prototyp einer trockenen Abgasentschwefelungsanlage nach dem DryEGCS-Verfahren der Firma „Couple Systems GmbH“ auf dem Mehrzweckfrachtschiff „Timbus“ im Einsatz. Das Institut für Energietechnik (Bereich Schiffsmaschinen) der Technischen Universität Hamburg-Harburg begleitet die Messungen und Untersuchungen an dieser Anlage im Rahmen eines ZIM-Forschungsprojektes. Bei diesem trockenen Verfahren wird das Schwefeloxid bei der Durchströmung einer Schüttschicht von einem Granulat aus Calciumhydroxid absorbiert. Dieses Granulat liegt kugelförmig mit Durchmessern zwischen 2 und 8 mm vor und reagiert mit dem Schwefeloxid zu Gips. Nach der Reaktion kann es an Land als Düngemittel oder im Bergversatz verwertet werden. Am Prototypen wurde nachgewiesen, dass das Verfahren für die Abgasentschwefelung auf Schiffen grundsätzlich gut geeignet ist. Das Arbeitsprinzip ist einfach, die Abgastemperatur wird kaum abgesenkt und es erfolgt keine Verlagerung der Schadstoffe in das Seewasser. Die Kombination mit einem SCR-Katalysator zur Stickoxid-Reduzierung ist ohne zusätzlichen Energiebedarf sehr gut möglich. Über die Reduzierung der Schwefeloxidemissionen hinaus konnte mit dem Prototypen auch eine Minderung der Rußbeladung des Abgases nachgewiesen werden. Die Rußpartikel werden an dem Kalkgranulat nicht nur gebunden, sondern auch vollständig oxidiert. Durch die Wirkung des Kalkgranulates wird die Zündtemperatur herabgesetzt und der graphitische Ruß deutlich unterhalb der üblichen Temperatur von ca. 600 °C verbrannt. Somit werden die Partikelemissionen mit diesem Verfahren um bis zu 75 % reduziert, ohne dass es durch die Anlagerung der Rußpartikel am Granulat zu einer Störung der Entschwefelung oder der Durchströmung kommt. Neben den Messungen an der Großanlage wird das Verfahren an der TUHH auch hinsichtlich seiner Eignung bei verschiedenen Abgaszuständen und Schwefelgehalten untersucht. In einer Prüfstandsanlage kann die Entschwefelungsleistung bei Variation der Temperatur, Abgaszusammensetzung und Struktur der Kalkgranulate analysiert werden. Das Ziel ist die Optimierung des Verfahrens, um den Bedarf an Bauraum und Betriebsmittel zu reduzieren.
Investigation of a dry process for the reduction of sulphur oxide emissions in the exhaust gases of marine engines
The future IMO limits (International Maritime Organization) for the sulphur content in marine fuels will lead to a substantial reduction of the sulphur emissions of ships, especially in the “Emission Control Areas” (ECAs). From 2015 the maximum sulphur content is 0.1%, so that costs for low-sulphur fuels may rise by roughly 50 %.
Alternatively, IMO allows a ship operator to burn high-sulphur fuel if using an exhaust gas cleaning system that can reach an equivalent level of emission reduction. Since November 2009 the prototype of a dry exhaust desulphurization plant based on the “DryEGCS” process, developed by „Couple Systems GmbH“, is in operation on the general cargo vessel „Timbus“. The Institute of Energy Systems (Section: Marine Engines) of the “Hamburg University of Technology” is conducting measurements and investigations of this plant within the framework of a ZIM research project. In this dry process the sulphur oxide is absorbed in a fixed bed of calcium hydroxide granulate. The spherical granulate with diameters between 2 and 8 mm reacts with the sulphur oxide to gypsum. After the reaction it can be used ashore as fertilizers or as backfill in the mining industry.
The prototype demonstrated that the dry exhaust desulphurization process is basically suited for the application on ships. The functional principle is simple, the exhaust gas temperature is not lowered significantly and there is no emission of the pollutants into the sea water. The combination with a SCR-Catalyst for the reduction of nitrogen oxides is possible. In addition to the reduction of sulphur oxide emissions, a decrease in the soot content of the exhaust gas could be proven with the prototype plant. The soot particles are not only bound on the surfaces of the granulate but also completely oxidized. The ignition temperature is lowered by the effect of the lime granulate and the carbon soot is burned at a temperature far below the common ignition temperature of roughly 600°C. Thus the particulate matter emissions are reduced by up to 75%, without an accumulation of soot particles on the granulate, that would cause a disturbance of the desulphurization process or the exhaust gas flow. Besides the measurements at the prototype installation, the relevant process is also examined with regard to its suitability at different exhaust gas conditions and sulphur contents. With a test stand the desulphurization efficiency can be analyzed at various temperatures, exhaust gas compositions and structures of the lime granulate. The goal is the optimization of the process, in order to reduce the space for installation and the amount of absorbent material.
