Abfall • Rohstoff • Energie ReSource

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Für Wirtschaft und Politik ist ein nachhaltiger Umgang mit Rohstoffen und Energie eine Frage der Zukunftssicherung. Umwelttechnisches Know-how und Informationen über grundlegende Entwicklungen sind für den Erfolg entscheidend. Mit der Fachzeitschrift “ReSource – Abfall, Rohstoff, Energie“ sind Sie bestens über nachhaltiges Wirtschaften informiert.

Neben aktuellen Forschungsergebnissen stellt die Fachzeitschrift praxisrelevante Konzepte und Verfahren zur Vermeidung und Verringerung von Umweltbelastungen vor. Verfahren der konventionellen Abfallbehandlung und -entsorgung wie Verbrennung sowie Recycling, Kompostierung, Vergärung und Deponierung werden auf ihre Effektivität und Umsetzbarkeit geprüft. Experten aus dem In- und Ausland diskutieren mögliche Alternativen.

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Abfall • Rohstoff • Energie

ReSource

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Abgasbehandlung

Energieoptimierung von Abgasreinigungsanlagen am Beispiel einer Bestandsanlage

Tibor Füle

Die Aufgaben der Thermischen Abfallverwertung sind umfangreicher geworden. Noch in den achtziger Jahren stand das sich Entledigen von Abfällen und die Einsparung von Deponieraum im Vordergrund. Heute sind Haushaltsabfallverbrennungsanlagen Kraftwerke zur Energie- und Rohstoffrückgewinnung. Einige Abfallheizkraftwerke dienen zum Beispiel zur Grundlastversorgung von Fernwärmenetzen. Gleichzeitig hat sich die Anlagentechnik insbesondere im Bereich der Abgasreinigungsanlagen weiterentwickelt. Es sind heute von der Verfahrenstechnik einfachere, hoch verfügbare, energieeffiziente und bezüglich der Abscheideleistung sehr leistungsfähige Systeme zur Reinigung der Abgase erprobt. Es kann daher bei Bestandsanlagen sinnvoll sein, die ökonomischen und ökologischen Auswirkungen von möglichen Ertüchtigungen und Verfahrensänderungen im Bereich der Abgasreinigung zu untersuchen, um den wachsenden Anforderungen an die thermische Abfallverwertung auch in Zukunft in hohem Maße gerecht werden zu können.

Ein Beispiel für ein erfolgreiches Projekt durch die Ertüchtigung des Abgasreinigungs- systems ist das Abfallheizkraftwerk der Energieversorgung Offenbach AG (Bild 1).

Bild 1: Abfallheizkraftwerk der Energieversorgung Offenbach AG

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Abgasbehandlung

Die Anlage wurde bereits 1970 in Betrieb genommen. Zu dieser Zeit waren die Anfor- derungen der emissionsschutzrechtlichen Vorschriften in Deutschland noch deutlich geringer als heute. Die Abgasreinigung bestand bei der Inbetriebnahme aus einem Elektrofilter, einer kontinuierlichen Emissionsmesseinrichtung und einem 110 Meter hohen Schornstein (Bild 2).

Bild 2:

Abgasreinigung im Jahr 1970 – Entstaubung mit Elektrofilter und hoher Schornstein

Die Schadstofffrachten waren dadurch begrenzt, dass zu dieser Zeit die Abfälle einen sehr hohen biogenen Anteil enthielten und weniger Kunststoffe und andere Bestand- teile, die bei der thermischen Verwertung saure Abgase produzieren. In den achtziger Jahren entwickelte sich die Umweltgesetzgebung weiter und die Haushaltsabfallver- brennungsanlagen wurden mit Abgasreinigungsanlagen nachgerüstet, die die HCl- und SO₂-Emissionen wirksam begrenzten. Dieser wichtige Schritt trug dazu bei, die öffentliche Akzeptanz gegenüber den Abfallverbrennungsanlagen zu erhalten, weil die erlaubten und kontinuierlich gemessenen Schadstofffrachten auf ein Niveau begrenzt wurden, das die Umwelt nicht nennenswert belastet. In Offenbach entschieden sich die Bürger, Politiker und Techniker nach längerer Prüfung und durchaus mit Weitblick für die Nachrüstung eines Abgasreinigungssystems, das mit einem zweistufigen Wä- scher und einer Entstaubung durch einen Elektrofilter mit zwei Kammern und dem nachfolgenden Venturiwäscher sehr geringe Schadstoffemissionen ermöglichte aber technisch erprobt und vom Aufwand her noch wirtschaftlich vertretbar war. Diese Abgaswäsche ging 1989 in Betrieb.

Ende der 90er Jahre erfolgte ein weiterer Schritt in der Umweltgesetzgebung mit der Forderung nach einer wirksamen Minderung der Stickoxidemissionen. Im Abfallheiz- kraftwerk Offenbach wurde hierfür ein SCR-Oxidationskatalysator nachgerüstet. Bei dieser Entscheidung stand wiederum eine besonders gute Schadstoffabscheidung im Vordergrund, während die Energieeffizienz eine geringere Rolle spielte. Man hätte zu diesem Zeitpunkt auch durch eine selektive nicht katalytische Reduktion SNCR mittels Harnstoffeindüsung in den Feuerraum die Stickoxidabscheidung realisieren können.

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Abgasbehandlung

Dies hätte sich auch deswegen angeboten, weil zeitgleich die Kessel und die Feuerung erneuert wurden. Es wäre daher leicht gewesen, die erforderlichen Harnstofflanzen in den Feuerräumen vorzusehen zumal durch die nachgeschaltete Nasswäsche, die unverändert beibehalten wurde, auch das Problem des Ammoniakschlupfes beherrschbar gewesen wäre. Trotzdem hat man sich dazu entschieden lieber die zur Erreichung der geforderten Emissionswerte noch sicherere katalytische Reduktion einzubauen.

Dies war erneut eine Entscheidung für günstige Emissionswerte auf Kosten der Ener- gieeffizienz, weil das Abgas hinter der Nasswäsche mit Hilfe von Dampf und Erdgas vor dem Katalysator auf anfänglich 270 °C wieder aufgeheizt wurde. Ein Vorteil ist, dass der Oxidationskatalysator außer den Stickoxiden auch die Dioxine und Furane unschädlich macht und deren Emissionen auf nahezu Null absenkt. Entstanden ist so im Zusammenhang mit der letzten Nachrüstung, einer Flugstromadsorption mit Aktivkohle zur Minderung der Schwermetallemissionen, die im Bild 3 dargestellte Abgasreinigungsanlage.

AbfallbunkerFeuerung Dackelkessel HOK Glasröhren-Wärmeübertrager Elektrofilter

Saugzug 1 Ca(OH)₂

Neutralisation

DaGaVo

Schlackebunker Nassentschlacker Rest- stoff- silo

SCR- Reaktor

DaGaVo

Saugzug 2 Kamin zweistufiger Abgaswäscher Kreuzstrom-Plattenwärm- eübertrager

NH₄OH

NaOH H₂O

Sprühtrockner

Brenner

Bild 3: Abgasreinigung 2015 vor dem Umbau auf Trockensorption

Bei dem im Bild 3 dargestellten System ist im Laufe der Betriebszeit bereits eine deutliche energetische Optimierung durchgeführt worden, indem die Betriebstemperatur des Katalysators zunächst auf 210 °C abgesenkt wurde und seit 2008 die Aufheizung der Abgase nicht mehr mit Erdgas sondern mit Hochdruckdampf über einen dampf- beheizten Gasvorwärmer DaGaVo vorgenommen wird. Der Erdgasflächenbrenner vor der Ammoniakwassereindüsung ist normalerweise außer Betrieb und daher mit einer gestrichelten Umrandung eingezeichnet.

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Abgasbehandlung

Der Elektrofilter, der saure Vorwäscher und der mit Natronlauge neutralisierte Hauptwä- scher aus diesem System sind seit 1989 also 26 Jahre in Betrieb. Aufgrund der chemischen, thermischen, abrasiven und korrosiven Belastungen, denen besonders die Wäscher ausge- setzt sind, wären in den nächsten Jahren größere Instandhaltungsmaßnahmen wie Neu- beschichtungen und teilweiser Austausch notwendig geworden. Außerdem hat sich im Laufe der Jahre die Zusammensetzung der Abfälle geändert, was dazu führt, dass zeitweise höhere Schadstofffrachten behandelt werden müssen für die das System nicht ausgelegt ist. Durch Ertüchtigungen im Bereich der Wäscher, wie z.B. Erhöhung der Umlaufzahlen des Waschwassers oder die Nachrüstung von Strömungsvergleichmäßigern oder Trays wäre die Anpassung an die heutigen Anforderungen möglich. Bei den beschichteten und stark beanspruchten Bauteilen ist dies aber keine einfache und kostengünstige Aufgabe.

Auch bei dem Elektrofilter, der viele Jahre seine Aufgabe zur vollen Zufriedenheit erfüllt hat, zeigten sich in den letzten Jahren aufgrund der Änderungen des Abfallbrennstoffs Schwächen. So kann z.B. der Eintrag von Kohlenstofffasern und anderen nicht brennba- ren, mit dem Abgas flüchtigen und elektrisch leitfähigen Partikeln zu Einbrüchen in der Abscheideleistung führen, die das Einhalten der Grenzwerte erschweren. Die Kohlefasern sind bekanntlich thermisch sehr stabil und verbrennen nicht vollständig. Stattdessen werden sie durch die Zerstörung der Matrix, also des zusammenhaltenden Kunststoffes, aus den Faserverbundabfällen herausgelöst und fliegen mit dem Abgasstrom in den Elek- trofilter. Dort kommt es aufgrund der elektrisch leitfähigen und faserförmigen Teilchen zu Überschlägen, so dass die Steuerung des Elektrofilters die Spannung automatisch absenkt. Die Kohlenstofffaserteilchen lassen sich schlecht elektrostatisch aufladen und abscheiden, sondern halten sich längere Zeit im Elektrofilter auf. Durch die Überschlä- ge werden sie auch teilweise mit den Sprühelektroden verschweißt und sind so nicht zeitnah auszuschleusen. Die Folge sind erhöhte Staubwerte am Ende des Elektrofilters.

Verschärft wird diese Problematik dadurch, dass der Emissionsgrenzwert für Staub im Tagesmittel künftig von 10 mg/m³ auf 5 mg/m³ halbiert wird. Derartige Stoffe waren im Haushaltsabfall früher nicht vorhanden, in Zukunft wären aber auch im Bereich der Elektrofilter Ertüchtigungen notwendig geworden, um die strengeren Grenzwerte sowie die Verwertung von schlecht elektrostatisch abscheidbaren Abfallbestandteilen sicher zu beherrschen. Kohlefasern sind nur ein Beispiel, Glasfasern oder metallische Stäube können ebenfalls die Abscheideleistung des Elektrofilters herabsetzen.

Es stellte sich so die Frage, ob Mittel in die Instandhaltung und Ertüchtigung des vorhandenen Systems gesteckt werden sollen, oder ob ein Technologiewechsel besser wäre.

Bei der Beantwortung dieser Fragestellung spielte auch die Energieeffizienz eine Rolle.

Das vorhandene System mit nasser Abgaswäsche und endständigem Reingaskatalysator hat einen nicht zu vernachlässigenden Bedarf an Wärme und elektrischer Energie. Diese Verbräuche sind im Bild 4 dargestellt:

Es ist bekannt, dass moderne trockene Abgasreinigungssysteme einen geringeren Energiebedarf aufweisen. Eine gute Grundlage zum Vergleich verschiedener Abgasrei- nigungssysteme bieten die Veröffentlichungen von Professor Dr.-Ing. Rudi Karpf über emissionsbezogene Energiekennzahlen von Abgasreinigungsverfahren bei der Abfall- verbrennung [1]. Auf dieser Grundlage wurden verschiedene Umbauvarianten für die Abgasreinigungsanlage des Abfallheizkraftwerks Offenbach betrachtet.

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Abgasbehandlung

Die erste Idee war die Errichtung eines trockenen Abgasreinigungssystems, das mit Kalk- hydrat als Sorbens arbeitet. Bei dieser Variante muss ein neuer Rohgaswärmetauscher errichtet werden, da es notwendig ist, das Abgas auf unter 160 °C abzukühlen, damit das Kalkhydrat eine gute Abscheideleistung erreicht. Die Abgastemperatur am Kessel- ende beträgt aktuell 250 °C. Der Vorteil eines solchen Wärmetauschers ist, dass damit je Verbrennungslinie 2,1 MW zusätzliche Wärme ausgekoppelt werden können. Der Wärmetauscher selbst ist aber wegen der großen erforderlichen Heizfläche ein teurer und großer Apparat, der im Rohgas mit der vollen Staub- und Schadstoffbelastung angeordnet ist und daher eine automatische Abreinigungseinrichtung z.B. mit Kugelregen benötigt.

Bild 4: Wärmebedarf und elektrischer Eigenbedarf der Abgasreinigung mit E-Filter, Nasswäsche und Katalysator

ausgekoppelte Wärmeenergie 2,13 MW

Ca(OH)₂+

HOK NH₄OH

220 °C

210 °C 155 °C

Saugzug 2

Kamin SCR

DaGaVo Dampfmenge: 1.017 kg/h

Saugzug 1

Reststoffe Reststoff-

rezirkulation + Befeuchtung Bestand

Neu

Befeuchtungs- mischer

WT Kessel

250 °C 160 °C Sorptions-

reaktor 135

°C

Gewebe- filter

H₂O+Schmutzwasser

Bild 5: Variante mit Kalkhydrat und SCR

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Abgasbehandlung

Da bei dieser ersten Verfahrensvariante der SCR-Katalysator beibehalten wurde, ist eine Wiederaufheizung der Abgase nach der Kalkabscheidestufe vor dem Katalysator erforderlich. Die durch den Rohgaswärmetauscher zurückgewonnene Energiemenge verringert sich daher netto auf etwa ein Megawatt je Verbrennungslinie, da etwa ein Megawatt für die Wiederaufheizung vor dem KAT benötigt wird.

Es lag daher nahe auch eine gleichzeitige Umrüstung auf SNCR-Technologie zur Stick- oxidminderung zu betrachten, um die Wiederaufheizung zu sparen. Eine entsprechende Variante ist im Bild 6 dargestellt.

Bild 6: Kalkbasierte Abgasreinigung und SNCR

Diese Umbauvariante mit SNCR ist vom Energiebedarf sehr gut. Das Abgas kann bis zu einer Temperatur oberhalb des Taupunktes von z.B. 140 °C unter Gewinnung von etwa 2 MW Wärme je Linie abgekühlt werden und es ist durch den Entfall des Katalysators keine Wiederaufheizung nötig. Außerdem wird auch elektrische Energie eingespart da sich durch den Entfall des Katalysators und des vorgeschalteten Plattenwärmetauschers der Druckverlust und damit die Saugzugleistung verringern. Ein tragbarer Nachteil ist, dass an der vorhandenen Kesselanlage einige neue Öffnungen im Bereich des ersten Zuges geschaffen werden müssen, um die Harnstofflanzen einbauen zu können.

Es wurde entsprechend eine Untersuchung in Zusammenarbeit mit einem Hersteller von SNCR-Systemen gestartet, um Aussagen über die Umsetzbarkeit, sichere Errei- chung der gewünschten Emissionswerte und der Umrüstungskosten zu erhalten.

Dafür wurden Messungen der Feuerraumtemperatur in verschiedenen Ebenen und bei verschiedenen Lastzuständen der Kesselanlagen an mehreren Tagen durchgeführt sowie ein Umbaukonzept erstellt. Das Ergebnis war, dass sich aufgrund der relativ

Abfallbunker

Schlackebunker Nassentschlacker

Reststoff- silo

Wärmetausch RG/FW NH₃

Feuerung Dackelkessel HOK

Glasröhren-Wärmeübertrager Saugzug 1

Saugzug 2 Kamin

Schlauchfilter

Reaktor

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Abgasbehandlung

kleinen Kessel, die nicht für SNCR optimiert sind und der vorhandenen Variationen in der Kessellast die optimale Ebene mit dem geeigneten Temperaturbereich für die Harnstoffeindüsung in einem weiten Höhenbereich verschiebt. Außer dem Einbau von drei bis fünf Düsenebenen wurde die Nachrüstung eines Schlupfkatalysators nach Kesselende zur garantierten Erreichung der Emissionswerte von NO_x < 150 mg/m³ bei einem Ammoniakschlupf von kleiner 15 mg/m³ als Tagesmittelwerte vorgeschlagen.

Der Schlupfkatalysator nach Kesselende ist aufgrund der Verschmutzung mit Stäu- ben und möglicher Passivierung durch Rohgasbestandteile kein völlig problemloses Anlagenteil. Der vorhandene Katalysator ist für diese Aufgabe durch seinen Pitch von 4 mm für diese Anwendung ungeeignet. Es hätte ein neuer Schlupfkat mit Reinigungs- einrichtungen errichtet werden müssen. Dieser Schlupfkatalysator könnte im Bereich der vorhandenen Sprühabsorber eingebaut werden. Es bleibt aber die Unsicherheit nach der erreichbaren Standzeit und des notwendigen, gegebenenfalls mit Stillständen verbundenen Reinigungsaufwandes . Die Variante mit SNCR wurde daher für diese Bestandsanlage aus Kosten- und Verfügbarkeitsgründen verlassen.

Eine Möglichkeit zur Beibehaltung des Reingaskatalysators und gleichzeitiger Ver- meidung einer Wiederaufheizung besteht in der Umstellung der Abgasreinigungs- anlage auf eine Trockensorption mit Natriumbicarbonat. Natriumbicarbonat ist im Temperaturbereich von 170 bis 200 °C sehr wirksam und macht keine Abkühlung der Abgase auf unter 160 °C erforderlich, wie bei kalkbasierten Verfahren. Eine Nieder- temperaturfahrweise des vorhandenen Katalysators im Temperaturbereich von 170 bis 210 ° ist möglich und wurde bereits mit Hilfe von Emissionsmessungen nachgewiesen.

Eine entsprechende Verfahrensvariante bei der die Abgase nur bis auf 180 °C vor dem Katalysator abgekühlt werden und die Reinigungsschritte Sauergasabscheidung mit Natriumbicarbonat sowie Entstaubung mit einem Gewebefilter bei hoher Temperatur stattfinden, ist im Bild 7 dargestellt.

HOK

NH₄OH

WT II

110 °C 180 °C

Saugzug 2

Kamin SCR

DaGaVo

Saugzug 1

Reststoffe

Bypass

Bestand Neu

Sickerwasser

WT I Kessel

250

°C

180

°C

SPT Gewebe-

filter NaHCO₃

Bild 7: Abgasreinigung mit Natriumhydrogencarbonat und SCR

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Abgasbehandlung

Eine ähnliche Abgasreinigung ist z.B. in Weißweiler erfolgreich in Betrieb. Nach dem Katalysator kann eine weitere Wärmeauskoppelung stattfinden. Die Energieeffizienz ist ohne Wiederaufheizung und mit zweimaliger Wärmeauskoppelung aus dem Abgas in der Größenordnung von etwa drei Megawatt je Abfallverbrennungslinie sehr gut.

Nachteilig haben sich bei der Bewertung dieser Variante nur die relativ hohen Kosten für das Sorbens Natriumhydrogenkarbonat erwiesen. Die Schadstofffracht des Abgases ist dabei der entscheidende Hebel. Während bei einem Rohgas aus der Verbrennung von schadstoffarmen Abfällen mit z.B. 700 mg/m³ HCl und 300 mg/m³ SO₂ der Kos- tenunterschied für die Betriebsmittel zwischen einer Trockensorption mit Kalkhydrat im Vergleich zu einer mit Natriumbicarbonat betriebenen Abgasreinigung noch gering ist, erhöht sich dieser Unterschied mit steigender Schadstofffracht. Bei schadstoffrei- chem Gewerbeabfall mit Rohgaswerten von z.B. 3.000 mg/m³ HCl und 1.000 mg/m³ SO₂ beträgt der Kostenunterschied zwischen kalkbasierter und mit Natriumhydro- gencarbonat betriebener Abgasreinigung beim MHKW Offenbach rechnerisch über 500.000 EUR/Jahr. Da in den vergangenen Jahren die Entwicklung der Abfälle auch bei Haushaltsabfallverbrennungsanlagen in die Richtung von höheren Heizwerten und höheren Schadstofffrachten im Rohgas vorangeschritten ist, soll der Umbau sowohl technisch als auch wirtschaftlich dafür geeignet sein. Bei der Umbauvariante mit einer Trockensorption mit Natriumbicarbonat ergaben sich Schwächen in dem Konzept be- züglich der Wirtschaftlichkeit bei der Verwertung von schadstoffreichen Abfällen. Da der geplante Umbau für mögliche künftige Entwicklungen zu höheren Rohgasfrachten geeignet sein muss, wurde auch dieses Konzept verlassen.

Die Prüfung der ersten Umbauvarianten für die Abgasreinigungsanlage des MHKW Offenbach ergab folgende Erkenntnisse:

• Eine trockene kalkbasierte Abgasreinigung macht eine Abkühlung nach dem Kessel und eine Wiederaufheizung vor dem Katalysator erforderlich, wodurch die mög- liche Energieeffizienzsteigerung eingeschränkt wird.

• Ein Entfall des Katalysators und Umstellung auf SNCR ist nicht empfehlenswert, weil es aufgrund der Randbedingungen keine Herstellergarantien für die künftigen, abgesenkten Emissionsgrenzwerte für NO_x und NH₃-Schlupf gibt.

• Eine auf Natriumbicarbonat basierende Abgasreinigung ist technisch eine gute Lö- sung, führt aber bei schadstoffreichen Abfällen zu erhöhten Kosten im Vergleich mit einer kalkbasierten Lösung.

Da aus Platz- und Kostengründen der Wunsch bestand möglichst wenig umbauen zu müssen und viele Anlagenteile weiter zu benutzen sowie zur Vermeidung der vorstehend beschriebenen Nachteile wurde eine weitere zweistufige Verfahrensvariante entwickelt und bewertet. Zu der schon aus Gründen der Quecksilberabscheidung notwendigen Abkühlung der Abgase nach dem Kessel kann statt eines Wärmetauschers auch der vorhandene Sprühturm genutzt werden. Dies vermeidet die Nachrüstung eines Wär- metauschers im Rohgas. Statt einer reinen Verdunstungskühlung mit Wasser kann hier Kalkmilch zur Kühlung und gleichzeitigen Vorabscheidung von HCl und SO₂ genutzt werden. Als zweite Feinreinigungsstufe kann Natriumbicarbonat eingesetzt werden.

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Abgasbehandlung

Die notwendigen Mengen dieser teuren Chemikalie sind gering, weil viel Schadstoff schon in der Sprühsorption mit Kalkmilch abgeschieden wird. Eine Kalkmilchanlage einschließlich Kalksilos ist im MHKW Offenbach vorhanden, da auch bisher die sauren Abwässer aus der nassen Abgaswäsche mit Kalkmilch neutralisiert wurden, bevor sie in den Sprühtrocknern eingedampft werden. Zur Kalkmilcherzeugung ist also keine Neuinvestition notwendig und auch die vorhandenen Pumpen und Düsen an den Sprühtürmen können eventuell weiter verwendet werden.

Es wurde ein Vorversuch durchgeführt in dem statt der neutralisierten Abwässer eine 5,5-prozentige Kalkmilch in einen Sprühturm eingedüst wurde, um die Temperatur des Abgases von 250 auf 190 °C abzusenken. Dabei wurde gleichzeitig die Schadstofffracht an HCl und SO₂ vor und nach dem Sprühturm gemessen. Das Ergebnis war gut, es wurde mit der Kalkmilch fast stöchiometrisch HCl und auch eine große Menge des SO₂ abgeschieden. Dieses gute Ergebnis lässt sich dadurch erklären, dass in dem reich- lichen Schadstoffangebot des Rohgases alle Kalkmilchtröpfchen beim Trocknen HCl- und SO₂-Moleküle als Reaktionspartner finden. Der Nachteil der für Kalk zu hohen Temperatur tritt in der nassen Phase nicht auf, die Schadstoffabscheidung gelingt gut.

Das Verfahrenskonzept dieser zweistufigen Variante Kalkmilch mit nachgeschalteter Feinreinigung mit Natriumbikarbonat ist in dem nachfolgenden Bild 8 dargestellt:

Abfallbunker Feuerung Dackelkesse HOK

Gewebefilter

Schlackebunker Nassentschlacker Rest- stoff- silo

Sprüh- absor-

ber 2 x 100 % Mühlen

BiCar Saugzug 1 Kalk- milch

Weiß- Feinkalk

CaO

Wasser Lösch- behälter DaGaVo*

* DaGaVo und Brenner außer Betrieb (nur für Regeneration des KAT) Brenner*

NH₄OH

SCR-Oxi-KAT Saugzug 2

Wärme- tauscher RG/FW

EMI- Messung

Kamin

Bild 8: Zweistufige Abgasreinigung mit Kalkmilch und Natriumbikarbonat

Die Kombivariante wurde mit der Hilfe der Kollegen von der MVV Umwelt aus Mannheim und der Ingenieurgesellschaft ete.a, Professor Dr.-Ing. Rudi Karpf aus Lich bewertet und mit anderen Varianten verglichen. Dabei zeigte es sich, dass dieses Konzept funktionsfähig ist und für die Bestandsanlage die wirtschaftlichste der betrachteten Umbauvarianten darstellt.

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Abgasbehandlung

Ein Vergleich des Energiebedarfs der vorhandenen Nasswäsche mit dem neuen trockenen Kombinationsverfahren ist im Bild 9 dargestellt.

Es ist zu erkennen, dass sich eine Wärmeleistung von 5 MW zusätzlich nutzen lässt.

Diese Leistung ergibt sich aus der zusätzlichen Wärmeerzeugung bei der Abkühlung des Abgases nach dem Katalysator, den eingesparten Wärmemengen durch den Ent- fall der Wiederaufheizung vor dem Katalysator und der eingesparten Energie durch weniger Verdunstung von Wasser. Die Abgasfeuchte am Kamin nimmt um 5 bis 10 Prozent ab. Auf der elektrischen Seite können rund 33 Prozent des Strombedarfs durch die geringere erforderliche Leistung für Saugzüge, Wäscherpumpen und Elektro- filter eingespart werden.

Vergleich Energieverbrauch

Nasswäsche Kalkmilch + Natriumbicarbonat

el. Eigenbedarf 1,2 MW Wärmebedarf 5,2 MW

el. Eigenbedarf 0,8 MW Wärmebedarf 0,2 MW

Bild 9: Vergleich des Energieverbrauchs zwischen Nasswäsche und zweistufig trockenem Verfahren Das Konzept wurde in einer Vorbesprechung der zuständigen Genehmigungsbehörde, dem Regierungspräsidium Darmstadt Abteilung Arbeitsschutz und Umweltschutz Frankfurt vorgestellt. Die dabei erhaltenen Hinweise wurden in den Genehmigungs- antrag eingearbeitet und dieser nach Zusammenstellung der Unterlagen zur Geneh- migung eingereicht. Aufgrund der zügigen Bearbeitung durch die Behörde lag bereits vier Monate später der Genehmigungsbescheid vor. Dies war eine Voraussetzung für die wirtschaftliche Freigabe des Projektes durch die internen Gremien. Das gesamte Projekt, das außer der energetischen Optimierung der Abgasreinigung auch eine neue leistungsstärkere Dampfturbine sowie weitere Maßnahmen zur Energieeffizienzstei- gerung enthält, zeigte sich bei der Prüfung als wirtschaftlich und wurde entsprechend genehmigt.

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Abgasbehandlung

Danach konnte die funktionale EU-Ausschreibung erstellt werden, wofür keine ex- ternen Ingenieurbüros beauftragt wurden, sondern die technisch und kaufmännisch vollständig intern durch Kollegen der MVV mit der Unterstützung unseres Einkaufs und weiterer EVO-Mitarbeiter angefertigt wurden.

Auf die EU-Ausschreibung zum Umbau der bestehenden Abgasreinigung zu dem ge- wählten Kombiverfahren haben sich vier renommierte Hersteller beworben. Alle vier Hersteller von Abgasreinigungsanlagen hielten das vorgegebene Konzept für umsetzbar und haben ausgearbeitete Angebote abgegeben. Die Angebote waren alle gut und haben die technischen Anforderungen erfüll, so dass es schwer viel drei Bewerben absagen zu müssen. Bei der Auswertung gaben der Angebotspreis, die Betriebskosten über 15 Jahre und das technische Konzept den Ausschlag dafür, dass die Firma DrySoTec aus Essen mit den Geschäftsführern Herrn Dr. Morun und Herrn Schmidt den Zuschlag erhielten.

Die Wärmerückgewinnung nach dem Katalysator wurde unabhängig von der Ab- gasreinigungsanlage ausgeschrieben. Für dieses Teilprojekt erhielt die Fa. Wallstein Ingenieur GmbH aus Recklinghausen den Auftrag.

Mit der Detailplanung, Materialbeschaffung und Fertigung wurde sofort nach Auf- tragserteilung begonnen. Die Umbauzeiträume der drei Linien wurden jeweils auf den normalen Revisionstermin festgelegt. Es sollte durch die Umbaumaßnahmen der Abgasreinigungslinien kein zusätzlicher Stillstand verursacht werden, sondern alle Maßnahmen sollen innerhalb des normalen vierwöchigen Revisionsstillstandes einer Verbrennungslinie erfolgen. Die zur Verfügung stehende Umbauzeit ist daher sehr kurz, wenn man die in diesem Zeitraum notwendigen Maßnahmen betrachtet:

• Abriss und Verschrottung des etwa 80 Tonnen wiegenden Elektrofilters,

• Abriss und Verschrottung von etwa 40 Tonnen teils großvolumigen beschichteten Abgaskanälen, des Glasrohrwärmetauschers und des ersten Saugzugs,

• Montage eines Gewebefilters am früheren Aufstellungsort des E-Filters,

• Montage der neuen Abgaskanäle und eines Reaktors,

• Umrüstung der Sprühtrockner zu Sprühabsorbern,

• Montage eines neuen Saugzugs,

• Änderungen in den Schaltanlagen mit neuen Schränken und Einschüben sowie Ertüchtigung der Doppelböden,

• Inbetriebnahme der geänderten Leittechnik und elektrischen Komponenten.

Bereits im Vorfeld erledigt wurden die Maßnahmen:

• Errichtung von zwei neuen Aschesilos, da die bestehenden Silos zu klein waren,

• Umrüstung der alten Aschesilos zu Lagersilos für Natriumhydrogenkarbonat,

• Errichtung von zwei Mühlen und einer redundanten Dosieranlage je Verbren- nungslinie.

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Abgasbehandlung

Erschwert wurden die Umrüstungsmaßnahmen bei der ersten Linie dadurch, dass in dem Zeitraum auch ein Gesamtstillstand und die vollständige Revision einer Kes- selanlage stattfanden. Außerdem wurden zeitgleich vorbereitende Maßnahmen für die Installation der neuen Dampfturbine sowie weitere Maßnahmen getroffen. Der Hof war in den vier Wochen angefüllt mit Material, Büro-, Sozial,- Werkzeug- und Schrottcontainern, Kränen, Baggern und bis zu 200 Mitarbeitern.

Es funktionierte trotzdem hervorragend. Nach etwa einer Woche waren die Ver- schrottungsarbeiten abgeschlossen und nach vierwöchiger Umbauphase ging die ge- änderte Abgasreinigungslinie plangemäß mit Abfallfeuer und dem revidierten Kessel 2 in Betrieb. Zwar mussten in den ersten zwei Betriebswochen noch Funktionen von Hand gefahren werden, weil noch nicht alle Funktionsgruppen und Regelungen im Prozessleitsystem fertig gestellt und getestet waren. Es zeigte sich aber von Anfang an die Funktionsfähigkeit des gewählten Verfahrens. In der Inbetriebnahmephase kam es nicht zur Überschreitung von Emissionswerten. Der Abgasreinigungsprozess ist auch bei hohen Schadstofffrachten im Rohgas absolut beherrschbar und gut zu steuern.

Der Sprühabsorber mit Kalkmilch arbeitet sehr effizient. Die erforderliche Menge an Natriumhydrogencarbonat zur Nachreinigung ist daher oft sehr gering. Die Wirksam- keit des Sprühabsorbers wurde durch die Fa. DrySoTec auch dadurch verbessert, dass ein Lochblech als Laminator am Eintritt nachgerüstet wurde, das die Gleichmäßigkeit der Strömung gegenüber der Originalausführung erhöht. Die ursprünglichen und verbesserten Strömungsverhältnisse sind im Bild 10 dargestellt.

Ist-Zustand Fall 1

≥ 20 m/s

10

0

ohne Lochblech

Strömung weitet sich nur sehr langsam aus

mit Lochblech

Bild 10: Vergleichmäßigte Strömung im Sprühabsorber durch Laminatorlochblech

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Abgasbehandlung

Zusätzlich wurden fünf neue Zweistoffdüsen mit automatischer Reinigungseinrich- tung der Firma Caldyn im Sprühturmkopf installiert. Hierdurch wird die vollständige Durchmischung des Abgasstroms mit der Kalkmilch verbessert.

Als unglaublich gut zeigen sich seit der Inbetriebnahme die Staubwerte des Reingases nach dem Gewebefilter. Hier zahlt sich die Investition in hochwertige Membranfilter aus Teflon aus. Die sehr präzisen Staubmessgeräte der Firma Sigrist zeigen kontinuierlich einen Staubwert von 0 mg/m³ an, weil dieser unterhalb der Nachweisgrenze liegt. Dass dies wirklich so ist konnte auch bei der testweisen Begehung einer Reingaskammer nach dreiwöchiger Betriebszeit nachgewiesen werden. Es war auf der Reingasseite kein Staub vorhanden. Die Filterelemente und Metallteile zeigten sich nach drei Wochen noch genau so sauber wir bei der Installation (Bild 11).

Bild 11:

Staubfreie Reingaskammer des Gewebefilters nach drei Wochen Betriebszeit

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Ertüchtigung der Abgasrei- nigungsanlage im MHKW Offenbach zusammen mit weiteren energetischen Op- timierungsmaßnahmen, wie z.B. dem Einbau einer neuen größeren Dampfturbine ein wirtschaftliches Projekt ist. Erlöse werden dabei vorwiegend durch die erhöhte Fernwärme- und Stromauskoppelung erzielt.

Der Umbau auf eine trockene Abgasreinigungsanlage erfüllt sowohl die wirtschaftlichen als auch ökologischen Ziele. Es werden gleichzeitig moderate Betriebsmittelkosten und günstige Emissionswerte bei großen Reserven gegenüber Schadstoffspitzen im Rohgas erreicht. Verfahrenstechnisch ist durch den Entfall der Nasswäsche mit Um- wälzpumpen, Niveauregelungen, Leitfähigkeits- und pH-Wertmessungen eine deutliche Vereinfachung erreicht worden.

Der Erfolg des Projektes war nur durch eine breite Zustimmung und Unterstützung im eigenen Hause, durch die Kollegen der MVV, die Behörden und die ausführenden Firmen möglich, wofür ein ausdrücklicher Dank ausgesprochen wird.

Quellen [1] Karpf, R.: Emissionsbezogene Energiekennzahlen von Abgasreinigungsverfahren bei der Ab-

fallverbrennung. Nietwerder: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky

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Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar

Karl J. Thomé-Kozmiensky, Michael Beckmann (Hrsg.):

Energie aus Abfall, Band 13

ISBN 978-3-944310-24-4 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky

Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky • Neuruppin 2016

Redaktion und Lektorat: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. h. c. Karl J. Thomé-Kozmiensky, Dr.-Ing. Stephanie Thiel, M.Sc. Elisabeth Thomé-Kozmiensky

Erfassung und Layout: Sandra Peters, Ginette Teske, Janin Burbott-Seidel, Anne Kuhlo, Carolin Bienert

Druck: Universal Medien GmbH, München

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