Sprühtrockenwäscher

In der weltweiten Hierarchie der verwendeten Entschwefelungssysteme belegen die Sprühtrockenwäscher nach Nasswäschern den zweiten Platz. Gewöhnlich wird Kalksuspension zur SO₂-Abscheidung aus dem Abgas bei dieser Art von REA eingesetzt. Der Wirkungsgrad der SO₂-Abscheidung und die Betriebssicherheit haben sich im Laufe der Entwicklung dieser Technologie verbessert. Sprühtrockenwäscher zeichnen sich allgemein durch geringere Kapitalkosten aus, erfordern jedoch höhere Betriebskosten als Nasswäscher, vor allem aufgrund der Anwendung des kostenintensiveren Kalks als Sorbens. Sprühtrockenwäscher werden größtenteils für Dampfkesselanlagen relativ kleiner bis mittlerer Leistung zum Einsatz von Kohle mit geringem bis mittleren Schwefelgehalt (1,5 %) benutzt. Aus demselben Grund werden sie auch im Fall einer Nachrüstung und im Spitzenlastbetrieb angewandt. Als Rückstand ergibt sich i.d.R. ein Gemisch aus Kalziumsulfit, Kalziumsulfat und Flugasche, die unter dem kommerziellen Aspekt von geringem Interesse sind. Tests wurden unternommen, um die mögliche industrielle Verwendung der Rückstände zu untersuchen. Einige Anlagen benutzen eine dem Sprühtrockenwäscher vorgeschaltete Staubminderung zum Abscheiden von Flugasche.

Der Sprühtrockenwäscher ist mit der REA-Technologie verwandt und wurde in den USA und Europa Anfang bis Mitte der 70-Jahre des vorigen Jahrhunderts entwickelt. Die erste kommerzielle Anwendung in Feuerungsanlagen begann 1980 in den USA, wo die Technologie bei einer kohlebefeuerten Dampfkesselanlage eingesetzt wurde.

Abbildung 3.14: Flussdiagramm eines Sprühtrocken-Waschverfahren [58, Eurelectric, 2001]

Cleaned fuel gases: Gereinigte Abgase;

Lime: Kalk;

Spray reactor: Sprühreaktor;

ESP: Elektrofilter;

Lime-water storage silo: Kalkwasser-Speichersilo;

Crude flue gas from boiler: Rohgas vom Dampfkessel;

Product storage: Produktspeicher;

Process water: Prozesswasser;

Compressed air: Druckluft;

SDA product: SEA-Produkt;

Mixing device: Mischer

Das Verfahren basiert hauptsächlich auf dem Sprühtrockner, einem Staubabscheider wie z.B. ein Elektrofilter oder Gewebefilter, und Aufarbeitungsvorrichtungen für der Reaktionsprodukte. Gegenwärtig werden mehrere Sprühtrockenwäscher kommerziell betrieben. Die Verfahren ähneln einander hinsichtlich der Verfahrenskonfiguration, der Bestandteile und des verwendeten Sorbens; ein Unterschied zwischen ihnen ist das im Sprühtrockenabsorber verwendete Sprühsystem für die Kalksuspension.

Bei dem zur SO₂-Absorption benutzten Sorbens handelt es sich i.d.R. um Kalk- oder Kalziumoxid. Der Kalk wird mit überschüssigem Wasser vermischt oder gelöscht, wodurch Kalksuspension entsteht, die auch als Kalkmilch bezeichnet wird. Die Kalkmilch wird in feinen Tröpfchen in einem Sprühtrockenabsorber gesprüht, wobei SO₂ aus dem Abgas entfernt wird. Wasser verdampft durch die Wärme des Abgases bei ausreichender Verweilzeit (ungefähr 10 Sekunden); SO₂ und andere saure Gase wie z.B. SO₃ und HCl reagieren gleichzeitig mit gelöschtem Kalk und bilden Kalziumsulfit/-sulfat und Kalziumchlorid. Eine Abwasseraufbereitung ist dabei nicht erforderlich, da das Wasser im Sprühtrockenabsorber vollständig verdampft.

Der chemische Prozess im Hinblick auf die SO2-Abscheidung aus dem Abgas ist eine einfache sauer/basische Absorptionsreaktion zwischen SO2 und gelöschtem Kalk und verläuft wie folgt:

Ca(OH)2 + SO2 → CaSO3 + H2O CaSO₃ +½O₂ + ½H₂O → CaSO₄ · ½H₂O

Die absorptionschemischen Verfahren werden besonders durch solche Faktoren beeinflusst wie die Abgastemperatur, Gasfeuchtigkeit, SO2-Konzentration im Abgas und der Tröpfchengröße der zerstäubten Suspension. Das Nebenprodukt ist ein trockenes Gemisch aus Kalziumsulfit, Sulfat, Flugasche und nicht reagiertem Kalk. Obwohl das Sprühabsorptionsverfahren manchmal als Halbtrockenprozess bezeichnet wird, weil bei ihm Kalkmilch benutzt wird (ein Kalk-Wasser-Gemisch), entsteht als Rückstand ein trocknes Pulver, das entweder durch den Elektrofilter oder den Gewebefilter abgeschieden wird. Da dieser Rückstand einen gewissen Anteil von unreagiertem Kalk enthält, wird allgemein ein Teil davon zurückgeführt und mit frischer Kalksuspension vermischt, um die Wirkung zu verstärken.

Die Verwendung eines Vorabscheiders, durch den die Flugasche größtenteils vor Erreichen des Absorbers entfernt wird, ist ein allgemeines Konstruktionsmerkmal der meisten Sprühtrockenwäscher in Europa. Er wird zwischen dem Luftvorwärmer und dem Absorber installiert. Die Installation eines Vorabscheiders bringt einige Vorteile mit sich, die dazu beitragen können, die ursprünglichen Kapitalkosten und Betriebskosten auszugleichen, z.B.:

• bei einem gewissen Entschwefelungsgrad kann er den Kalkverbrauch reduzieren (bei gegebenem ΔT) oder die Erhöhung der Betriebstemperatur des Sprühtrockners (ST) gestatten (mit einem vorgegebenen Ca/S-Verhältnis), wodurch das Risiko der Staubablagerung vermindert wird;

• er hilft, einen höheren Elektrofilter-Wirkungsgrad zu erzielen und somit verminderte Endemissionen;

• er stoppt die Erosion durch Flugasche in den nachgeschalteten Anlageteilen;

• er verringert die Menge des zu entsorgenden Abfalls;

• er scheidet ein verkaufsfähiges Produkt ab (Flugasche); das nützlich ist, da ein etablierter Markt für Flugasche existiert.

Der Vorabscheider ist gewöhnlich ein einfacher Ein-Feld-Elektrofilter (one-field ESP). Bei Nachrüstungsmaßnahmen wird die vorhandene Staubabscheidung oftmals zur Vorabscheidung genutzt.

In den USA werden typischerweise Kugelmühlen-Kalklöscher (ball mill slaker) zum Kalklöschen im Sprühtrockenverfahren verwendet. In Europa werden Rückhaltetank-Kalklöscher (detention-type tank slakers) in die meisten Sprühtrockenwäscher eingebaut. Der einfache Tank-Kalklöscher kann für pulverisierten ungelöschten Kalk verwendet werden.

Der wichtigste Bestandteil des Absorbers ist die Sprühdüse für die Kalksuspension. Die Sprühdüse kann als Rotationsversprüher oder als Zweistoffsdüse ausgelegt sein. Die erstgenannte ist in zentraler Position am Dach installiert und versprüht die Kalkmilch in feinen Tröpfchen. Der Abgasstrom wird vor Eintritt in den Absorber aufgeteilt, sodass ungefähr 60 % des Gases durch die am Dach installierte Gasverteilung und die anderen 40 % durch die zentrale Gasverteilung in den Absorber gelangt. Mittels korrekter Einstellung der beiden Ströme Rotationsdüse und Positionierung der Gasleitbleche gelingt es, die Wolke aus zerstäubten Tröpfchen zu regeln und ein effizientes Gemischt aus Abgas und Sorbens im engeren Bereich um die Sprühdüse zu erzeugen. Die entsprechende Größe des Absorbers zur Behandlung des Abgases aus Dampfkesseln mit einer Kapazität von 100 MWe bis 150 MWe liegt allgemein bei 14 bis 15 m (Durchmesser) x 11 bis 12 m (zylindrische Höhe).

Die Sprühdüsen des Suspensionszerstäubers im Sprühtrockenwäscher müssen den strikten Vorgaben entsprechen, um eine konstante Sprühqualität zu erzielen. Die Düsen müssen beispielsweise gegenüber Abgaskorrosion und Kalkerosion resistent sein. Zudem müssen sie geringen Druckabfall und minimales Verstopfungsrisiko aufweisen. Im Suspensionszerstäuber werden vielfältige Sprühdüsenarten verwendet, beispielsweise Rotationszerstäuber und die fest installierte Zweistoffsdüse.

Die Verwendung von Sorbens in Sprühtrockenwäschern ist größer als bei der Sorbens-Eindüsung ins Abgas, aber der Anteil von unreagiertem Kalk beträgt ungefähr 10-40 % des Kalkzusatzes und wird mit

Kalziumsulfit/-sulfat aus dem System ausgetragen. Die Sorbensanwendung wird durch strikte Kontrolle des Sorbens/Wasser-Verhältnisses bei der Suspensionserzeugung verbessert, wobei die Taupunkt-Annäherung im Absorber verringert wird und Rückstände in den Absorber rezirkuliert werden.

Die üblichste Art der Entsorgung der Produkte aus Sprühtrockenwäschern ist ihre Lagerung in stabilisierten Deponien. Da das Nebenprodukt nichtreagierten Kalk enthält, lässt es sich nicht unbehandelt deponieren, weil es Staub erzeugt und das Risiko unkontrollierter Auslaugung von Gefahrenstoffen besteht. Daher wird es speziell konditioniert, indem Wasser mit Flugasche vermischt wird, um ein deponierfähiges fixiertes Produkt zu erzeugen.

Der Rückstand ist für das System sowohl von Vorteil als auch Nachteil. Ein Hauptziel bei der Anwendung eines Sprühtrockenwäschers ist es, eine Nutzungsmöglichkeit für den Rückstand zu finden. Da es einen hohen Anteil von unreagiertem Kalk enthält, wird das Produkt als Lösungsmittel für Nassentschwefelanlagen in der Nähe eingesetzt, vorausgesetzt dass der Aschegehalt ausreichend gering ist. Neuere Forschungsergebnisse legen nahe, dass ein neuer Anwendungsbereich des Rückstands sein Einsatz als Zusatzmittel für Düngemittel ist, bei denen Schwefel benötigt wird.

Sprühtrockenwäscher arbeiten i.d.R. bei 20-30 K über dem Taupunkt, wobei der Taupunkt des Abgases zwischen 45-55 C liegt. Somit besteht - abgesehen davon, dass eine geforderte Schornsteintemperatur auf irgendeine Weise erreicht werden muss - bei der Mehrheit der Anlagen nicht die Notwendigkeit, das reine Abgas wieder zu erwärmen.

Der Sprühtrockenwäscher eignet sich für Brennstoffe mit geringem bis mittlerem Schwefelgehalt und für kleinere Anlagen. Die entsprechende Ausrüstung schließt Vorrichtungen zur Suspensionsaufbereitung, Weiterleitung und Zerstäubung mit ein, die alle gegenüber der Suspension erosionsbeständig sein müssen. Das trockene feste Nebenprodukt findet vielfach bei Bauzwecken Anwendung.

Das Sprühtrockenverfahren nimmt als kommerziell verwendbare Technik einen festen Platz ein. Von der weltweiten mit trockener REA-Verfahrenstechnik ausgerüsteten Gesamtkapazität verwenden 74 % das Sprühtrockenverfahren (18655 MW der elektrischen Leistung im Jahr 1998) [33, Ciemat, 2000].

Die Kapitalkosten für das Sprühtrocknungsverfahren sind vorrangig von der Anlagenkapazität und dem Typ und der Gestaltung des Sprühabsorbers und des Eindüsungssystems abhängig. Die berichteten Kapitalkosten differieren stark je nach Kraftwerkstyp. Die Kapitalkosten für ein Sprühtrockensystem liegen bei annähernd 30-50 % unter denen eines Kalkstein-Nasswaschverfahrens für eine GFA gleicher Größenordnung, aber die Betriebskosten sind höher aufgrund der höheren Sorbenskosten. Da bei der Sprühtrocknung Kalk verwendet wird, ist der Einsatz eines Einzelmodul-Sprühtrockners auf Anlagen unter 700 MWth und 700000 m³/Std und auf Brennstoffe mit geringerem und mittlerem Schwefelgehalt begrenzt, um die Betriebskosten in vertretbaren Grenzen zu halten. Nur bei geringer dimensionierten Anlagen und Anlagen mit niedriger Auslastung sind Sprühtrockensysteme kostengünstiger.

Die Kosten eines Sprühtrockenwäschers für eine Dampfkesselanlage wurden mit 18-25 EUR Investitionskosten je MWel und 0,5-0,7 EUR Betriebs- und Wartungskosten je MWh (eingesetze Wärme) veranschlagt. Die Kosten für die Schadstoffminderung betrugen 600-800 EUR pro Tonne abgeschiedenes Schwefeldioxid. Die Auswirkung auf den Strompreis betrug annähernd 6 EUR je MWh (erzeugte elektrische Energie). Die höheren Spitzenpreise entsprechen den kleiner dimensionierten Großfeuerungsanlagen verglichen mit den Nass-Entschwefelungs-Verfahren.

Bei einem größeren dieselbetriebenen Motor ist ein Sauerstoffgehalt von ungefähr 13-15 Volumenprozent O₂ im Abgas (Luftfaktor 2,7-3,5) enthalten. Eine Dampfkesselanlage hat üblicherweise 3-6 Volumenprozent O₂ (Luftfaktor 1,2-1,4) in Abhängigkeit vom angewandten Brennstoff. Ein höherer Sauerstoffgehalt bedeutet einen größeren Abgasvolumen und erfordert ein größeres REA-Reaktorsystem, wodurch sich höhere Investitionskosten usw. ergeben.

Entsprechend den verschiedenen Möglichkeiten zur Nutzung von Nebenprodukten müssen die Kosten der Behandlung von Nebenprodukten und ihrer Entsorgung bei Sprühtrockenverfahren für den Kostenvergleich zwischen den verschiedenen Entschwefelungsverfahren herangezogen werden.