Magnesiumoxid-Verfahren

Das Magnesiumoxidverfahren ist ein regeneratives Nasswaschverfahren, bei dem eine Magnesiumhydroxidlösung als Sorbens verwendet wird. Es handelt sich im Wesentlichen um dasselbe Verfahren wie bei dem Kalkstein-Nasswäscher, mit Ausnahme des Regenerierungsschritts bei dem gebrauchten Sorbens. HCl und HF im Abgas werden im Vorwäscher abgeschieden, um das Verschmutzen von Magnesiumsalz nach der SO₂-Absorption zu vermeiden. Das Abgas gelangt danach in den Wäscher, wo das SO₂ durch eine wässrige Suspension aus Magnesiumsulfat absorbiert wird, gebildet aus dem Magnesiumhydroxid-Sorbens:

MgSO₃ + SO₂ + H₂O → Mg(HSO₃)₂ Mg(HSO3)2 + Mg(OH)2 → 2MgSO3 + 2H2O

2MgSO₃ + O₂ → 2MgSO₄

Das Reaktionsprodukt Magnesiumsulfit/sulfat wird ständig aus dem Absorber abgelassen und in einem Trockner getrocknet. Das Magnesiumsulfit/sulfat wird bei ungefähr 900 °C mit vorhandenem Kohlenstoff kalziniert, um Magnesiumoxid zu regenerieren, das in das Adsorptionssystem zurückgeführt wird:

MgSO₃ → MgO + SO₂ MgSO4 + C → MgO + SO2 + CO

Als Nebenprodukt fallen elementarer Schwefel, Schwefelsäure oder konzentriertes Schwefeldioxid bei diesem Verfahren an. Diese Nebenprodukte sind kommerziell nutzbar und können verkauft werden, um die gesamten Betriebskosten zu verringern. Anderenfalls wäre zum Regenerieren des Magnesiumoxids ein hoher Wärmeenergieaufwand erforderlich.

Drei kohlebefeuerte Anlagen mit diesem Magnesiumoxidprozess sind derzeit in den USA in Betrieb, mit einer Gesamtkapazität von etwa 900 MW_e. Sie wurden alle im Jahr 1982 nachgerüstet und auf den jetzigen Stand gebracht, und bei allen wird Kohle mit einem Schwefelgehalt von über 3,5 % verfeuert. Weitere Magnesiumoxid-Anlagen werden gegenwärtig nicht errichtet, und es sind keine Pläne für weitere Anlagen dieser Art bekannt.

3.3.7 Allgemeine Leistungsdaten der Abgasentschwefelungstechniken

Andere Leistungsparameter Technik Allgemeine

SO2

-Abscheiderate Parameter Wert

Hinweise

Betriebstemperatur 45-60 ºC

Sorbens Kalkstein - Kalk Zuverlässigkeit 95-99 % (der Betriebszeit)

Rückstand/Neben-produkt Gips

Gipsreinheit 90-95 %

Verweilzeit 10 s

Lebensdauer der

Gum-mibeschichtung >10 Jahre (Steinkohle) SO3-Abscheidungsrate 92-98 % HCl-Abscheidungsrate 90-99 % HF-Abscheidungsrate 90-99 % im Absorber Kalk/Kalk

• Die SO2-Minderungsrate bei einigen vorhandenen REA-Anlagen beginnt bei 85 %.

• Von der gesamten installierten REA-Kapazität sind 80 % Nasswäscher, von denen 72 % Kalkstein als Sorbens, 16 % Kalk und 12 % andere Sorbenzien verwenden.

• Die Auswahl des Kalksteins (hoher Kalziumkarbonatgehalt, geringer Al-, F- und Cl-Gehalt) ist ein wichtige Voraussetzung, um eine gute SO2 -Abscheiderate zu erzielen.

• Die Transportentfernung des Kalkstein zur Anlage und die Reaktivität des Kalksteins sind gleichfalls zwei wesentliche Faktoren, die in Betracht gezogen werden müssen.

• Manchmal werden organische Puffer benutzt, um den pH-Wert der Waschlösung beizubehalten.

• Der Energieverlust aufgrund der Wiederaufheizung des Abgases ist im Vergleich zu den Trocken-REA-Verfahren und kombinierten SO2/NOX -Abscheideverfahren hoch, die allgemein keine Abgaswiederaufheizung brauchen.

• Das Problem in Verbindung mit dem Rotations-Gas-Gas-Wärmetauscher, dessen Betriebstemperatur bei ungefähr 150 ºC liegt, ist die immanente interne

Abgasleckage , wobei 1- 3 % des rohen Abgases direkt in den Schornstein geht, ohne dass der SO2-Gehalt vermindert wird.

• Mehrere Anlagen verwenden Nass-REAVerfahren mit Kühlturmableitung. Die Kühlturmableitung des gereinigten Abgases erübrigt die teure Wiederaufheizung , erspart die Ernergie für Wiederaufheizung und ergibt signifikant geringere Bodenimmissionskonzentrationen.

• Die Erzeugung von Abwasser ist ein Nachteil des Kalkstein-Nasswäschers.

• hoher Wasserverbrauch

• Nachlassen der allgemeinen Anlageneffizienz wegen des hohen Energieverbrauchs (durchschnittlich verbraucht eine Suspensionspumpe etwa 1 MW)

• Gips ist ein marktfähiges Nebenprodukt.

Tabelle 3.5: Allgemeine Leistung der Kalk/Kalkstein-Nasswäscher zur Verminderung von Schwefeloxidemissionen

Andere Leistungsparameter Technik Allgemeine SO2

-Abscheiderate Parameter Wert

Hinweise

Zuverlässigkeit 98-99 %

Rückstand/Nebenprodukt kein Energieverbrauch in %

der installierten elektrischen Leistung

0,8-1,6 %

HCl-Abscheiderate 95-99 %

HF Abscheiderate 95-99 % im Absorber Wasserverbrauch

(aber Sulfationen gelöst im Meerwasser)

• Meerwasser muss vorhanden sein

• Nur einige Anlagen sind in Kraftwerken in Betrieb

• Durch Anwendung von Meerwasser im Waschprozess in einer Feuerungsanlage müssen die örtlichen Bedingungen wie z.B.

Meerwasserbedingungen, Gezeiten, Meeresumgebung nahe dem Waschwasserausgang usw. sorgfältig geprüft werden, um negative

Umwelt- und Ökologieauswirkungen zu verhindern. Auswirkungen können sich durch die Verminderung des pH-Pegels in der allgemeinen

Nachbarschaft von Kraftwerken ergeben sowie durch die Zufuhr von übrig gebliebenen Metallen (Schwermetalle, manchmal auch Spurenelemente genannt) und Flugasche. Das gilt besonders für Anlagen an einer Flussmündung.

• Die Anwendbarkeit von Meerwasserwäsche ist sehr günstig, weil das Verfahren einfach ist und keine Suspensionsbehandlung erfordert.

• Die Betriebskosten sind gering, verglichen mit einem Nass- REA-Verfahren

• Das Abgas muss zuerst von Staub befreit werden.

• Nur anwendbar bei Brennstoff mit geringem Schwefelgehalt.

Tabelle 3.6: Allgemeine Leistungsdaten der Meerwasserwäsche zur Verminderung von Schwefeloxidemissionen

Andere Leistungsparameter Technik Allgemeine SO2-

Abscheidesrate Parameter Wert

Hinweise

Betriebstemperatur 120-200 ºC

(Abgaseintritt) 65-80 ºC (Abgasaustritt)

Sorbens Kalk, Kalziumoxid

Verweilzeit 2-10 s

molaresCa/S-Verhältnis 1,3-2,0 Max. Abgasvolumenstrom

pro Absorber

700000 m³/h Abscheidungsgrad von SO3

und HCl 95 %

Rezirkulationsrate des

ge-brauchten Sorbens 0-15%

Feststoffgehalt in

einge-sprühter Flüssigkeit 10-35 %

Zuverlässigkeit 95-99 %

Rückstand/Nebenprodukt Gemischaus Flugasche, nicht reagiertem Zusatzmittel und CaSO3

Energieverbrauch in % der

Energieleistung ^{0,5-1 %}

Wasserverbrauch 20-40 l/1000 m³ Abgas (abhängig von

Sprühtrock-ners ohne Staubabscheider 30 (10² Pa)

• Es ist zu beachten, dass SO3 sich effektiver in Trockensprüh-wäschern abscheiden lässt als in Nasswäschern.

• Die Anwendung von Vertikalmühlen zum Löschen kann die Reaktivität des Löschkalks erhöhen.

• Da Sprühtrockenwäscher mehr SO3 abscheiden können als Nasswäscher, stellt H2SO4 in der Umgebung nahe der Anlage ein geringeres Problem dar als bei Nasswäschern.

• Da der Energieverbrauch bei Anlagen zur NOX- und Staubpartikelminderung gewöhnlich weniger als 0,1% ausmacht, liegt der gesamte Energieverbrauch zur Eindämmung der Umweltverschmutzung i.d.R. unter 1,0 % in einer Anlage unter Verwendung des Sprühtrockenwäschers. Das ist ein großer Vorteil verglichen mit Nassabscheidern, bei denen ein Energieverbrauch von 1,0-1,5 % erforderlich ist.

• Die vier bis fünf Mal höheren Kosten des Kalk-Sorbens, das bei

Trocksprühwäschern verwendet wird, im Vergleich zu dem Kalkstein bei den dominierenden Nasswäschern ist wahrscheinlich der größte Nachteil der Sprühtrockenwäscher.

• Untersuchungen haben ergeben, dass ungefähr 35-85 % des in der Gasphase vor dem Wäscher befindliche Quecksilber abgeschieden wird.

• Trockensprühabsorptionsverfahren werden gegenwärtig bei steinkohlebefeuerten Anlagen eingesetzt. Es hat sich aber in Pilotstudien erwiesen, dass das Verfahren auch bei anderen fossilen Brennstoffen wie beispielsweise Öl, Braunkohle oder Torf angewandt werden kann.

• Bei einem Schwefelgehalt von mehr als 3 % verringert sich der Wirkungsgrad geringfügig.

• Der Wirkungsgrad des Sprühtrockenwäschers hängt stark von der benutzten Entstaubungsanlage ab (z.B. Gewebefilter oder Elektrofilter ), weil bis zu einem gewissen Grad eine Entschwefelung beispielsweise im Filterkucher des

Gewebefilters auftritt.

• CaSO4 als Rückstand Tabelle 3.7: Allgemeine Leistungsdaten des Sprühtrockenwäschers zur Verminderung von Schwefeloxidemissionen

Andere Leistungsparameter Technik Allgemeine SO2

-Abscheiderate Parameter Wert

Hinweise Betriebstemperatur 950-1150 ºC

(im oberern Bereich des Feuerraums) 540 ºC (Vorwärmer)

Sorbens Kalkstein, Löschkalk,

Dolomit

Zuverlässigkeit 99,9 %

Abfall des

Dampfkesselwir-kungsgrads 2 %

Energieverbrauch in % der

Energieleistung 0,01-0,2 % Eindüsung

• Die Effizienz der SO2-Minderung ist vorrangig eine Funktion des

molarenCa/S-Verhältnisses, des Sorbenstyps, des Befeuchtungsgrads, der verfügbaren Zusatzmittel, des Einsprühpunktes und der

Dampfkesselbelastung

• Zur Erhöhung des SO2-Abscheidungsgrads kann Wasser vor dem Abscheider in den Abgaskanal eingesprüht werden. Das führt zu einer Verbesserung des SO2-Abscheidungsgrads von ca. 10 %.

• Probleme sind die Ablagerung, Schlackebildung und Flammenstabilität in der Dampfkesselfeuerung.

• Durch Sorbenseindüsung in die Feuerung kann sich der Anfall von unverbranntem Kohlenstoff in der Asche erhöhen.

Betriebstemperatur

Sorbens Kalkstein, Löschkalk,

Dolomit

Zuverlässigkeit 99,9 %

Energieverbrauch in % der

Energieleistung 0,2 %

Eindüsung

• geringe Kapitalkosten und äußerst einfaches Installieren

• leichte Nachrüstung (wenig Platz und kurze Montagezeiten)

• kein Abwasser

• Aschebehandlung ist schwieriger, da Asche angereichert ist mit unreagiertem Kalk, wodurch Asche nach Befeuchtung erhärtet.

• erhöhte Tendenz zu Ablagerungen an der Abgaskanalwand

• Anwendung in einigen Anlagen in den USA

Betriebstemperatur 70-80 °C

Verweilzeit 3 sec

Ca/S 1.1/1.5 Rezirkulationsrate des

gebrauchten Sorptions-mittels

10-100

Energieverbrauch 0,3-1 %

Sorbens Ca(OH)2

Zuverlässigkeit 98-99,5 %

Druckabfall ohne Entstaubung 7-15 hPa

Rückstand CaSO3/CaSO4/Flugasche

• Der Wirbelschichttrockenwäscher ist für eine interne Gasgeschwindig-keit zwischen 1,8 m/s bis 6 m/s bei Dampfkessellasten von 30 bis 100 % durch Rezirkulation von Reingas ausgelegt.

• wurde nur wenige Male angewandt

• hohe Abscheidungsrate bei Schwermetallen

Tabelle 3.8: Allgemeine Leistungsdaten verschiedener Sorbenseindüsungstechniken zur Verminderung von Schwefeloxidemissionen

Andere Leistungsparameter Technik Allgemeine SO2

-Abscheiderate Parameter Wert

Hinweise Abgastemperatur

im Absor ber

45-70 ºC

max S-Gehalt im

Brennstoff 3,5 %

max

Abgasvolumenstrom 600000 m³/h Festmaterialenteil in

ein-gesprühter Flüssigkeit

20-50 % Energieverbrauch als %

der Energieleistung ^{3-5,8 %}

Wasserverbrauch 70-200 m³/h

(nur Vorabscheider) Natrium

sulfit- Bisulfit-Verfahren

95-98 %

Zuverlässigkeit >95 %

• Das Natriumsulfit-Bisulfit-Verfahren wird in Europa nicht mehr für kohlebefeuerte Anlagen angewandt.

• Da bei dem Verfahren eine Lösung zur Absorption von SO2 verwendet wird, können hocheffektive Kontaktanlagen wie beispielsweise Ventilboden oder Füllkörperbett ohne Verkrustungen eingesetzt werden.

• In einigen Fällen, wenn z.B. ein Kraftwerk sich nahe bei oder im

Stadtzentrum befindet, kann der Transport großer Materialmengen (Kalkstein und Gips) zum und vom Kraftwerk durchaus zu Belästigungen durch Lärm und Verkehrprobleme führen. Dagegen gibt es beim Natriumsulfit-Bisulfit-Verfahren geringeren Transportbewegungen in Bezug auf Natriumhydroxid und Schwefel.

• Der Natriumsulfit-Bisulfit-Verfahren erfordert hohe Kapitalkosten und hat einen hohen Bedarf an zahlreichem und qualifiziertem Bedienungspersonal sowie einen hohen Energiebedarf.

Energieverbrauch in % der Energieleistung

n.v.

Nebenprodukt elementarer Schwefel, Schwefelsäure oder

kon-zentriertes Schwefeloxid Magnesium

oxidverfahre

n n.v.

Zuverlässigkeit n.v.

Hinweise: n.v. = nicht verfügbar

Tabelle 3.9: Allgemeine Leistungsdaten regenerativer Techniken zur Verminderung von Schwefeloxidemissionen

Im Dokument Integrierte Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung (IVU) Merkblatt über beste verfügbare Techniken für Großfeuerungsanlagen Juli 2006 mit ausgewählten Kapiteln in deutscher Übersetzung (Seite 132-138)