Sorbenseindüsung in den Abgasstrom (trockene Abgasentschwefelung)

Die Sorbens-Eindüsung bedeutet die Eindüsung eines auf Kalzium oder Natrium beruhenden Sorbens in das Abgas zwischen dem Luftvorwärmer und einem Elektrofilter oder einem Gewebefilter, wie in der Abbildung 3.17 dargestellt.

Abbildung 3.17: Sorbens-Eindüsung in den Abgaskanal [33, Ciemat, 2000]

Coal: Kohle;

Boiler: Dampfkessel;

Air heater: Luftvorwärmer Particulate control: Staubabscheidung;

Clean flue gas: Reines Abgas;

Lime: Kalk;

Recycle: Rückführung;

Conditioning/reactivation: Konditionierung/Reaktivierung;

Residue: Rückstand;

Disposal: Entsorgung;

Stack: Schornstein;

Options: Optionen.

Die gebräuchlisten Arten der Sorbens-Eindüsung sind:

• trockener Löschkalk mit erforderlicher Befeuchtung

• trockene Natrium-Eindüsung ohne erforderliche Befeuchtung

• Kalksuspensions-Eindüsung oder Wäsche innerhalb des Abgaskanals ohne separaten Befeuchtungsschritt Das Befeuchtungswasser erfüllt einen Doppelzweck: erstens aktiviert es das Sorbens, um die SO₂-Eliminierung zu verstärken, und zweitens konditioniert es die Staubpartikel, um den Elektrofilter-Wirkungsgrad zu sichern.

Wenngleich die Sorbenseindüsung in den Abgaskanal ein einfaches Verfahren zu sein scheint, sind einige der Hauptmerkmale zur Erhöhung ihres Verminderungseffekts; a) die Entschwefelung des Abgases durch Sorbens auf Basis von Kalzium oder Natrium mit mehrfacher Rückführung des Produktes infolge einer hohen Menge von nicht reagiertem Absorbens und b) die Kombination mit einem vorhandenen Elektrofilter erhöht die Wirksamkeit, weil durch die Eindüsung die Temperatur reduziert und die Feuchtigkeit erhöht wird. Die Art und Weise, wie der Elektrofilter in der Lage ist, bis zu 100-mal mehr Produkt und Flugasche abzuscheiden als bei einfacher Durchleitung bei dem Kanaleinsprühverfahren, wird bisher nur unvollständig verstanden. Ein zusätzlicher Parameter besteht jedoch darin, die rückgeführten Produkte in einer Weise zu befeuchten, dass die

Wände und der Elektrofilter nicht in direkten Kontakt mit Wasser kommen, um das Korrosionsrisiko zu vermeiden.

Nach der Eindüsung wird das Natriumbikarbonat thermisch zersetzt und bildet Natriumkarbonat. Nachdem die Oberfläche des ursprünglichen Sorbens des Natriumkarbonats mit SO₂ reagiert hat und Natriumsulfit oder -sulfat gebildet hat, verlangsamt sich die Reaktionen aufgrund der verstopften Poren (wodurch die Gasphasendiffusion von SO₂ behindert wird). Damit die Reaktion sich fortsetzen kann, müssen die Sorbenspartikel sich weiter zersetzen. Bei dieser Zersetzung entweichen die Gase H₂O und CO₂ in die Umgebungsatmosphäre, wobei ein Netz aus Hohlräumen überall in den Partikeln entsteht. Bei diesem Verfahren wird frisches reaktives Sorbens freigesetzt und dem SO₂ nochmals gestattet, ins Partikelinnere zu diffundieren.

Diese Vergrößerung des Oberflächenbereichs ergibt, je nach dem speziell einbezogenen Sorbens, das 5-20-fache der ursprünglichen Oberflächengröße. Es wird davon ausgegangen, dass bei den folgenden Reaktionsreihen Natriumkarbonat zum Abscheiden von SO₂ entsteht:

2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O Na2CO3 + SO2 → Na2SO3 + CO2

Na₂CO₃ + SO₂ + ½ O₂ → Na₂SO₄ + CO₂

Die Zersetzungsgeschwindigkeit und die nachfolgende Sulfatierung der partikelförmigen Natriumverbindungen sind eine komplizierte Funktion der Gastemperatur, der Geschwindigkeit der Wärmeübertragung auf die Partikel, des H₂O und des CO₂ im Abgas, der Teildrücke und der Auswirkungen anderer vorhandener Abgaskomponenten.

Die Technologien der Sorbens-Eindüsung in den Abgaskanal zeichnen sich durch niedrige Kapitalkosten, einfache Verfahrensstruktur und ihre Anpassungsfähigkeit unter schwierigen Nachrüstungsbedingungen aus. Sie zeigen jedoch einen relativ geringen Wirkungsgrad der SO₂-Abscheidung. Dieser Nachteil und die geringe Effizienz der Sorbensanwendung haben die kommerzielle Nutzbarkeit schwierig gestaltet. Die Sorbens-Eindüsung in den Abgaskanal- bietet jedoch im Fall relativ alter und kleiner Dampfkesselanlagen ein großes Potential. Daher werden derzeit verschiedene Verfahren der Sorbenseindüsung entwickelt, um die SO2 -Abscheidung und Verfahrenszuverlässigkeit zu verbessern. Die Zielstellung bezüglich des Wirkungsgrads der SO2-Abscheidung bei der Sorbens-Kanal-Eindüsung betrug allgemein mindestens 50 %. Bei den neu entwickelten Verfahren wird eine SO2-Abscheidungsleistung von 70-95 % angestrebt, und das ohne nennenswerte zusätzliche Kapitalkosten oder Betriebsprobleme, wobei die Verbesserungen auf dem besseren Verständnis der Sorbens-Eindüsung in den Abgaskanal beruhen.

Das Rückführen von gebrauchtem Sorbens ist besonders wichtig unter dem ökonomischen Aspekt der Sorbens-Eindüsung in den Abgaskanal, weil kürzere Sorbensverweilzeiten (0,5-3,0 Sekunden) zu geringerer Sorbensnutzung geführt hatten verglichen mit den konventionellen Sprühtrockenwäschern. Lediglich 15-30 % des Ca(OH)2 gemessen nach dem Gewicht reagiert i.d.R. mit SO2 ohne das Rückführen von verbrauchtem Sorbens. Das bedeutet, dass 70 % bis 85 % des nicht reagierten Ca(OH)2, das im Elektrofilter aufgefangen wurde, mit der trockenen Flugasche entsorgt wird. Die geringe Nutzung des Sorbens ist ein Nachteil bei den Verfahren der Sorbens-Eindüsung in den Abgaskanal. Die Rückführung von verbrauchtem Sorbens findet seit kurzem in vielen Verfahren Anwendung, um die Sorptionsnutzung zu verbessern und die SO2 -Abscheideleistung zu erhöhen.

In einem Sorbens-Rückführsystem kann ein Teil dieser aufgefangenen Feststoffe wieder in den Kanal zurückgeführt werden, um dem Ca(OH)₂ erneut die Möglichkeit zu bieten mit dem SO₂ zu reagieren. Durch das Rückführen dieser Feststoffe erhöht sich der gesamte Ca(OH)₂-Gehalt im System, ohne die Menge von frischem Kalkzusatz zu erhöhen. Daher wird eine erhöhte SO₂-Abscheidung erreicht, ohne dass die Kosten für frisches Sorbens steigen.

Das Verfahren der Sorbens-Eindüsung in den Abgaskanal ist sehr einfach und lässt sich leicht handhaben, sodass keine besondere Gefahr von Verfahrensausfällen besteht.

Das Verfahren eignet sich für verschiedenartige Brennstoffe und Feuerungstechniken, insbesondere wenn die Eindüsung im kühleren Abgaskanalabschnitt erfolgt. Es ist möglich, das Sintern des Sorbens und/oder Schmelzen zu vermeiden, wenn das Sorbens im kühleren Teil des Abgaskanals zugesetzt wird.

Weil die Verfahrensüberwachung sich sehr leicht implementieren lässt, wirken sich Änderungen bei der Dampfkessellast oder bei einigen anderen Parametern nicht auf die Leistungsfähigkeit aus.

Von der weltweiten Gesamtkapazität der trockenen REA-Technologie entfallen 23 % (5929 MW elektrische Energie im Jahr 1998) auf die Verfahren der trockenen Eindüsung in den Abgaskanal und der Sorptions-Eindüsung in die Feuerungs.

Die Verfahren der trockenen Abgaseindüsung sind bei kleineren Kraftwerksanlagen ökonomisch konkurrenzfähig. Die Investitionskosten sind gering, und diese Maßnahme lässt sich recht einfach in eine vorhandene Kraftwerksanlage integrieren. Je nach Schwefelgehalt des Brennstoffes und Anlagengröße schwanken die berichteten Kapitalkosten beim Verfahren der Sorbens-Eindüsung in den Abgaskanal beträchtlich.

Die benötigten Sorbenzien sind kostenintensiver als die in den Kalksteinverfahren wie beispielsweise bei der Eindüsung in die Feuerung; damit tendieren die Betriebskosten dazu, größer zu sein, selbst wenn ein geringeres molares Verhältnis möglich ist. Die Abscheiderate des Verfahrens lässt sich verbessern, indem das Ca/S-Verhältnis erhöht wird, jedoch steigen damit auch die Sorbenskosten und der Bedarf an Hilfsenergie. Das Nebenprodukt kann nicht immer wieder verwendet werden, wodurch dem Betreiber höhere Kosten entstehen.

Modifiziertes trockenes REA-Verfahren

Heißes, unbehandeltes Abgas aus einem Dampfkessel oder aus dem Abschnitt nach dem Vorabscheider (der Vorabscheider ist in der nachfolgenden Abbildung nicht dargestellt) kommt, wenn es über den Gasverteiler in den REA-Reaktor eingeführt wird, mit frei schwebendem, angefeuchtetem Staub von Flugasche und Kalkpartikeln in Kontakt. Seine reaktiven Komponenten werden schnell von den alkalischen Komponenten des Staubs absorbiert. Gleichzeitig verdampft das Wasser, um die für eine wirksame SO₂ -Abscheidung benötigte Abgastemperatur zu erreichen. Die Überwachung der Gasverteilung, der Strömungsgeschwindigkeit des Staubs, der Wassermenge und -verteilung für die Befeuchtung stellen sicher, dass die geeigneten Bedingungen für den optimalen Wirkungsgrad der SO₂-Abscheidung erreicht werden.

Das behandelte Abgas strömt zu einem Staubabscheider (Gewebefilter oder Elektrofilter), wo der Staub aus dem Abgas entfernt wird. Die Ausgangsgase aus dem Staubabscheider werden mittels eines Saugzuggebläses zu einem Kamin transportiert. Die gesammelten Feststoffe werden über ein Befeuchtungssystem in den REA-Trockenreaktor zurückgeführt. Mithilfe der Füllstandsüberwachung des Auffangbehälters wird das Abblasen des Staubs in das Nebenproduktsilo zur Entsorgung geregelt [135, Alstom Power, 2002].

Abbildung 3.18: Modifiziertes trockenes REA-Verfahren [135, Alstom Power, 2002], [162, Notter, et al., 2002]

Boiler: Dampfkessel;

Fuel: Brennstoff;

Water: Wasser;

ESP or FF: Elektrofilter oder Gewebefilter;

Humidifier slaker: Befeuchtungs-Kalklöscher;

Stack: Kamin;

End product: Endprodukt.

Ferner besteht bei dem modifizierten trockenen REA-Verfahren nur minimal die Notwendigkeit für eine komplizierte Spezialausrüstung. Der Rotationszerstäuber entfällt, ebenso zugehörige Hochgeschwindigkeitstechnik und Zweistoffdüsen mit entsprechendem Druckluftbedarf. Der Energiebedarf für das Mischen des recycelten Materials und des Sorbens in den Mischern liegt bedeutend unter dem für die entsprechenden Stoffe in einem konventionellen trockenen Abgas-Reinigungssystem. Vergleichsweise erscheinen Rotationszerstäuber und Zweistoffdüsen viel komplexer als der Mischer. Als wichtige Folge der Anwendung von Mischern anstelle der Düsen und Rotationszerstäuber ist die gesamte Technik, die das Bedienungspersonal handhaben muss, nahe der Bodenebene angeordnet, außerhalb des Abgasstroms und in einem Gehäuse, zusammen mit dem Gewebefilter. Dank dieser Anordnung lassen sich die Kosten reduzieren und die Wartung vereinfachen.