HDT-Fachtagung: Trockensorption
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- Kilian Berg
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1 HDT-Fachtagung: Trockensorption Titel: Vorname: Name: Anschrift: Dipl. Ing. Rüdiger Margraf LÜHR FILTER GmbH & Co. KG Enzer Str Stadthagen DEUTSCHLAND Tel.: +49 (0) Fax: +49 (0) Vortragstitel: Heutige und zukünftige Konzepte für die Gasreinigung hinter Verbrennungsanlagen für Müll und EBS unter Verwendung von Ca(OH) 2 / CaO oder NaHCO 3 als Additiv aus Sicht eines Anlagenbauers.Trockensorption - 1 -
2 Inhaltsverzeichnis: Seite 1. Einleitung 3 2. Trockensorptionsverfahren unter Verwendung von Ca-haltigen Additiven Sprühabsorption und Partikelkonditionierung Allgemeiner Aufbau Vor- und Nachteile des Verfahrens Einsatz von CaO anstelle von Ca(OH) 2 zur Reduzierung der Betriebskosten Verdampfungskühlung und Partikelkonditionierung Allgemeiner Aufbau Vor- und Nachteile des Verfahrens Zweistufige (konditionierte) Trockensorption Vorbemerkung Verfahrensbeschreibung anhand von Beispielen, Vor- und Nachteile Trockensorptionsverfahren unter Verwendung von NaHCO Allgemeiner Aufbau, Vor- und Nachteile Einflussgrößen auf die Additivmittelausnutzung Gastemperatur und Partikelrezirkulation HF-Abscheidung Betriebskostenvergleich Verfahrensauswahl 21.Trockensorption - 2 -
3 1. Einleitung Die Betreiber von thermischen Reststoffentsorgungsanlagen sind - nicht zuletzt aus wirtschaftlichen Gründen gezwungen, effiziente, zuverlässige und kostengünstige Gasreinigungstechniken einzusetzen. Zur Einhaltung der Emissionsgrenzwerte entsprechend 17. BimSchV haben sich hier in den letzten Jahren trockene bzw. konditioniert trockene Verfahren mehr und mehr durchgesetzt. Diese Verfahren werden permanent weiterentwickelt um auch wachsenden Anforderungen z. B. in Hinblick auf steigende Schadgasgehalte und / oder gegenüber der 17. BimSchV, strengeren Emissionsgrenzwerten gerecht zu werden. Im vorliegenden Beitrag werden verschiedene Varianten unter Verwendung von Caund Na-basierten Additiven vorgestellt und die jeweiligen Stärken und Schwächen aufgezeigt. An Anlagenbeispielen werden Anhaltspunkte zu den Betriebskosten gegeben. Auf eine Diskussion der Abscheidemechanismen wird verzichtet. 2. Trockensorptionsverfahren unter Verwendung von Ca-haltigen Additiven 2.1 Sprühabsorption und Partikelkonditionierung Allgemeiner Aufbau Rohgas Quench Filter Reingas Druckluft H 2 O CaO Additiv Additiv Ca(OH) 2 AK H 2 O H 2 O Doppelwellenmischer Dosierschnecke Kugelrotor Abb. 1: Kombiverfahren Sprühsorption - konditionierte Trockensorption.Trockensorption - 3 -
4 Dieses seit Jahren zur Einhaltung der Emissionswerte entsprechend 17. BimSchV bewährte Verfahren (Abb. 1) wurde zum Beispiel bei der Umrüstung der Gasreinigung Linie 2 MHKW Ludwigshafen eingesetzt (Abb2). Bei mehreren derzeit in Bau befindlichen EBS-Verbrennungsanlagen findet dieses Verfahren Anwendung. Abb. 2: MHKW Ludwighafen RGR Linie 2 Sprühabsorberkopf und Filter-/Reaktorhaus Die erste Stufe des Kombinationsverfahrens bildet der Sprühabsorber. Seine Aufgaben sind: Gaskonditionierung zur Einstellung der optimalen Reaktionstemperatur und Anhebung der relativen und absoluten Feuchte. Vorsorption durch Zugabe von Kalkmilch. Die Kalkmilchzugabe gewährleistet gleichzeitig eine Absenkung des Säuretaupunktes zur Vermeidung von Korrosionen. Da insbesondere bei EBS-Verbrennungen häufig die Gasfeuchte bedingt durch die Zusammensetzung des Brennstoffes gegenüber z. B. Hausmüllverbrennungen niedriger ist, kommt der separaten Einstellmöglichkeit der optimalen Gastemperatur besondere Bedeutung zu..trockensorption - 4 -
5 Die zweite Abscheidestufe bildet die Reaktor-Filterkombination mit Ca(OH) 2 Zugabe und vielfacher Partikelrückführung einschließlich Konditionierung der Rückführpartikel. Als Aufgaben sind zu nennen Schaffung guter Reaktionsbedingungen durch Partikelrezirkulation bis zu n x 100 g/m³i.n. Verbesserung insbesondere der SO 2 -Abscheidung durch Anfeuchtung des Rezirkulates. Weitere, wenn auch geringe Absenkung der Gastemperatur Vor- und Nachteile des Verfahrens Im Vergleich mit anderen trockenen bzw. quasi trockenen Verfahren auf Basis Cahaltiger Additive ergeben sich für dieses, zugegebener Maßen etwas aufwendigere Verfahren vorteilhafte Besonderheiten: Gestufte Additivzugabe Das in Abb. 3 gezeigte Beispiel verdeutlicht die Vorteile einer gestuften Additivzugabe. Mit der ersten Stufe wird bei niedriger Stöchiometrie bezogen auf den Schadgasinput ein Großteil des HCl-Gehaltes (80 %) und ca. die Hälfte des SO 2 -Gehaltes abgeschieden. In der zweiten Stufe steht dann für die Feinreinigung bezogen auf die nach der ersten Stufe erwarteten Schadgasgehalte im Vergleich zu der Summenstöchiometrie eine deutlich höhere Stöchiometrie zur Verfügung. Ca(OH) 2 i = 1,8 Ca(OH) 2 i = 1,0 Ca(OH) 2 i = 2,7 HCl : 1000 mg/m³ SO 2 : 400 mg/m³ Sprühsorption HCl : 200 mg/m³ SO 2 : 200 mg/m³ Konditionierte Trockensorption HCl < 10 mg/m³ SO 2 < 25 mg/m³ Additiv Schadgaskonzentration Reaktionsprodukte Abb. 3: Gestufte Additivzugabe.Trockensorption - 5 -
6 Schwankungsbreite der Schadgasgehalte Das Gesamtsystem ist relativ unempfindlich in Bezug auf stark schwankende Schadgasgehalte im Rohgas. Unterstellt man für einen HCl-Input von z. B mg/m³ einen Abscheidegrad für die erste Stufe wie in Abb. 3 dargestellt von 80 %, reduziert sich der Input-Wert vor Stufe 2 auf 600 mg/m³. Verfügbarkeit / Redundanzen Die Emissionswerte können auch bei Ausfall von Teilsystemen gesichert eingehalten werden. Ausfall Kalkmilch -> System Verdampfungskühler, konditionerte Trockensorption Ausfall Partikelrückführung -> System Sprühabsorber und Ca(OH) 2 -Zugabe vor filternden Abscheider Den geschilderten Vorteilen stehen aber auch Nachteile des Verfahrens gegenüber, die sich insbesondere aus dem Betriebsverhalten des Spühabsorbers ergeben und sich hemmend auf die Additivmittelausnutzung auswirken. Agglomeratbildung Bild 4 zeigt anhand von REM- Aufnahmen frisch erzeugte Kalkhydratpartikel im Vergleich zu kalkhaltigen Partikeln entnommen nach Sprühabsorber. Das frisch gelöschte Kalkhydrat besitzt eine erkennbar hohe äußere Oberfläche. Diese nimmt nach Trocknung im Sprühabsorber jedoch aufgrund einer tropfenförmigen Agglomeratbildung ab. Die für die chemischen Reaktionen erforderliche Austauschfläche verringert sich. frisch gelöschtes Kalkhydrat Quelle: Rudi Karpf, ete.a Kalkhaltige Partikel aus einer MVA-Sprühsorption mit Kalkmilch Abb. 4: Oberflächenstruktur des in Form von Kalkmilch eingebrachten Kalkhydrats.Trockensorption - 6 -
7 CaCO 3 -Bildung Das leicht saure Kohlendioxid hat in der Gasphase im Vergleich zu den sauren Schadgasen HCl, HF und SO 2 eine geringere Affinität zum Kalkhydrat. Jedoch ist die Konzentration von CO 2 im Gas deutlich höher. So steht eine CO 2 - Konzentration von ca. 10 Volumen% entsprechend ppm einer HCl- Konzentration von z. B mg/m³ entsprechend ppm gegenüber. Es bildet sich in nicht unerheblichem Maße in der nassen Phase CaCO 3, das nach der Trocknung der Kalkmilchtropfen nur noch sehr begrenzt für die Reaktion zur Verfügung steht. Die nachgeschaltete konditionierte Trockensorption kann bei entsprechender Wassserzugabe gegebenenfalls für eine teilweise Reaktivierung des CaCO 3 sorgen. Die v. g. Nachteile führen dazu, dass von LÜHR FILTER das Schwergewicht der Schadgassorption bei diesem Verfahren auf die zweite Stufe die konditionierte Trockensorption mit vielfacher Partikelrückführung gelegt wird. Die Sprühsorption alleine oder auch in Kombination mit einer zusätzlichen Kalkhydratzugabe vor Filter stellt aus Sicht des Autors kein effektives Alternativverfahren dar. Die erreichbare Additivmittelausnutzung ist gegenüber der Verfahrensvariante Sprühabsorber mit Partikelkonditionierung niedriger. Auch sollte nach Auffassung des Autors im Regelfall nicht die Einstellung der optimalen Reaktionstemperatur alleine durch die Partikel-Konditionierung unter Verzicht auf einen Verdampfungskühler oder einen Sprühabsorber erfolgen. Das im Mischer angefeuchtete, in den Reaktor eingetragene Material enthält bei guter Additivmittelausnutzung Reaktionsprodukte, die bei zu hoher prozentualer Anfeuchtung sehr große, nicht mehr flugfähige Partikelagglomerate bilden und / oder zu festen Ansätzen an den Reaktorwänden führen, die nur mit manuellen Eingriffen entfernt werden können Einsatz von CaO anstelle von Ca(OH) 2 zur Reduzierung der Betriebskosten Bei Herstellung der Kalkmilch für den Sprühabsorber wird im Allgemeinen aus Kostengründen CaO in Verbindung mit einem Nasslöscher eingesetzt. Bei in etwa gleichen spezifischen Beschaffungskosten pro Tonne Material für CaO und Ca(OH) 2 ergibt sich ein Vorteil für CaO in der Größenordnung von 25 % wobei die Wassermenge für die Löschung noch zu berücksichtigen ist. Verschiebt man nun den Schwerpunkt der Schadgassorption in Richtung konditionierte Trockensorption so verringert sich zwangsläufig dieser Kostenvorteil. Um hier einen optimalen Kostenvorteil zu erzielen und gleichzeitig völlig unabhängig von der Aufteilung der Kalkzugabe auf die beiden Sorptionssysteme zu sein, kann insbesondere bei größeren Verbrauchsmengen ein Trockenlöscher für CaO eingesetzt werden. In diesem Fall wird die gesamte Additivmittelmenge in Form von CaO angeliefert. Dieses wird in einem Trockenlöscher mittels H 2 O-Zugabe zu.trockensorption - 7 -
8 Ca(OH) 2 umgewandelt und in einem Zwischensilo für die Erzeugung der Kalkmilch und die Zugabe im Reaktor als Trockenadditiv bereit gestellt. Das Zwischensilo ist so groß dimensioniert, dass im Falle von Wartungs- oder Reparaturarbeiten im Bereich des Trockenlöschers dieses Silo direkt mit Ca(OH) 2 befüllt werden kann. 2.2 Verdampfungskühlung und Partikelkonditionierung Allgemeiner Aufbau Bei konsequenter Berücksichtigung der in Kapitel aufgeführten Vor- und Nachteile des Kombinationsverfahrens Sprühsorption mit konditionierter Trockensorption erscheint es sinnvoll, auf die Sprühsorption ganz zu verzichten. Im MHKW Ludwigshafen (Abb. 2) werden hierzu Untersuchungen durchgeführt. Seit März 2006 wird das benötigte Kalkhydrat zu 100 % in den Reaktor vor Filter eingetragen, der bis dahin betriebene Sprühabsorber wird durch Zugabe von Wasser zur Einstellung der optimalen Gastemperatur und feuchte als Verdampfungskühler verwendet. Den grundsätzlichen Verfahrensaufbau zeigt schematisch Abb. 5. Rohgas Sprühabsorber Filter Reingas Druckluft H 2 O Additiv Additiv Ca(OH) 2 AK H 2 O Doppelwellenmischer Dosierschnecke Kugelrotor Abb. 5: Chemiesorption mit Partikel- und Gaskonditionierung Die geforderten Emissionsgrenzwerte lassen sich wie Abb. 6 zeigt gesichert einhalten. Bei HCl-Konzentrationen nach Kessel in der Größenordnung von > mg/m³ i.n.tr. liegt der HCL-Reingaswert < 5 mg/m³ i.n.tr., der SO 2 Reingaswert deutlich < 5 mg/m³ i.n.tr. Die Additivmittel-Zugabemenge entspricht bei Einsatz eines Normal-Kalkhydrates mit einer spezifischen Oberfläche von ca. 18 m²/g im Mittel einen stöchiometrischen Faktor von 2,0..Trockensorption - 8 -
9 HCl-, SO2-Rohgas, SO2-Reingas [mg/m³i.n.tr.] :00 SO2-Kamin mg/nm3 SO2 v.sa mg/nm3 HCl v.sa mg/nm3 HCl-Kamin mg/nm3 Stöchiometrie. SO 2 nach Kessel SO 2 - Kamin 02:00 04:00 06:00 Stöchiometrie 08:00 10:00 12:00 14:00 HCl - Kamin 16:00 18:00 HCl nach Kessel 20:00 22: :00 HCl-Reingas, Stöchiometrie Abb. 6: Trendkurven Roh-/Reingaswerte und Stöchiometrie Vor- und Nachteile des Verfahrens Als Vorteile dieses Verfahrens sind zu nennen: Auf die mit Wartung verbundene Erzeugung und Förderung von Kalkmilch kann verzichtet werden Die Betriebskosten in Bezug auf Ersatzteilbedarf und Wartung für den Verdampfungskühler liegen gegenüber einem Sprühabsorber deutlich niedriger. Die Umstellung in Ludwigshafen hat bewirkt, dass der Calciumkarbonatanteil im Rezirkulat von ca. 30 Gew. % auf 20 Gew. % verringert werden konnte und damit der freie Kalkanteil entsprechend gestiegen ist. Dieses führt zu niedrigeren Emissionswerten und / oder der Reduzierung der Additivmittelzugabemenge. Die Anforderungen an die zu verwendende Wasserqualität sinken. So kann z. B. Sickerwasser zum Kühlen verwendet werden..trockensorption - 9 -
10 Als Nachteile stehen dem gegenüber: Die gestufte Additivzugabe entfällt. Damit wird der Verdampfungskühler mit einer möglichen Kontaktzeit von mehreren Sekunden nicht für die Schadgasabscheidung genutzt. Der Verdampfungskühler ist zusätzlich durch entsprechende Maßnahmen gegen Korrosionen zu schützen. Die Redundanz in der Additivzugabe ist nicht gegeben. Um den Vorteil der niedrigeren Beschaffungskosten bei Einsatz von CaO nicht zu verlieren ist der Einsatz eines Trockenlöschers anstelle der Naßlöscheinrichtung mit den damit verbundenen höheren Investitionskosten notwendig. Zur Optimierung der Verfahrensvariante verbunden mit einer Kompensation einiger der vorgenannten Nachteile sind weitere Untersuchungen dahingehend geplant, dass eine zusätzliche Additivzugabe zwischen Kessel und Verdampfungskühler installiert wird (Schema Abb. 7). Ca(OH)2 HOK Reststoffsilo Verdampfungskühler H2O Druckluft Abgas vom Kessel Kugelrotor - Umlenkreaktor 140 C 135 C H2O Anfeuchtmischer Abb. 7: Verfahrensvariante: Gas- und Partikelkonditionierung mit gestufter Additivmittelzugabe.Trockensorption
11 2.3 Zweistufige (konditionierte) Trockensorption Vorbemerkung Sofern die Anforderungen an die Abscheidung wachsen z. B. in Bezug auf dauerhaft höhere Chlor- und / oder Schwefelgehalte im Brennstoff bzw. bei der Forderung nach Emissionsgrenzwerten z. B. entsprechend 50 % der 17. BimSchV Werte steigt der Additivmittelverbrauch der beiden bisher vorgestellten Verfahren überproportional an. Zur Lösung solcher Aufgabenstellungen sind alternative Sorptionsverfahren in Erwägung zu ziehen. Eine nach Ansicht des Autors gut geeignete Verfahrensvariante für diese Anwendungsfälle ist die zweistufige Trockensorption bzw. zweitstufige konditionierte Trockensorption mit Additivmittelführung im Gegenstrom. Betriebserfahrungen mit diesem Verfahren liegen im Hause LÜHR FILTER seit vielen Jahren u. a. auch für thermische Reststoffentsorgungsanlagen vor Verfahrensbeschreibung anhand von Beispielen, Vor- und Nachteile In Abbildung 8 ist als Beispiel die Gasreinigung hinter einer Industriemüllverbrennung dargestellt. Die Anlage ist ausgeführt als reine Trockensorption. Auf Forderung des Kunden musste auf den Einsatz von Wasser zur Konditionierung komplett verzichtet werden. So wurde an Stelle eines Verdampfungskühlers ein Gas-Luft- Wärmetauscher der zweistufigen Reaktor-Filteranlage vorgeschaltet. Zur Vermeidung von Korrosionen im Wärmetauscher wird ein Teil des Additivs vor Wärmetauscher aufgegeben. Volumenstrom: m³/h i. N. f. Temperatur nach Kessel: 370 C Rohgaswerte nach Kessel: Partikel : 2000 mg/m³ i. N. tr. HCl : 1200 mg/m³ i. N. tr. HF : 20 mg/m³ i. N. tr. SO 2 : 250 mg/m³ i. N. tr. PCDD/PCDF : ca. 100 ng/m³ i. N. tr. Gewährleistung: vom Kessel Kugelrotor Reaktor Ca(OH) 2 Kugelrotor Reaktor HOK Partikel : 10 mg/m³ i. N. tr. HCl : 10 mg/m³ i. N. tr. HF : 1 mg/m³ i. N. tr. SO 2 : 30 mg/m³ i. N. tr. PCDD/PCDF : 0,1 ng/m³ i. N. tr. Additivmittelzugabe: Ca(OH) 2 Ca(OH) 2 : i 1,8 HOK : 0,1 g/m³ i. N. tr. Abb. 8: Anwendungsbeispiel Industriemüll-Verbrennung.Trockensorption
12 Die Anlage wurde zweistufig ausgeführt um die Additivmittel-Ausnutzung zu optimieren HCl- und SO 2 -Spitzen im Rohgas auch bei Einsatz einer reinen Trockensorption gesichert abzuscheiden den extrem hohen Dioxin-Gehalt nach Kessel gesichert auf Werte < 0,1 ng/m³ zu reduzieren Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Additivmittelführung im Gegenstrom. In der zweiten Feinreinigungsstufe werden auf Grund der Vorabscheidung saurer Schadgaskomponenten in der ersten Filterstufe und im vorgeschalteten Wärmetauscher deutlich höhere Stöchiometrien erreicht, als die sich ergebene Summenstöchiometrie (Abb. 9). Ca(OH) 2 i ~ 0,9 Ca(OH) 2 i ~ 7 HCl : 1200 mg/m³ SO 2 : 250 mg/m³ HCl : 600 mg/m³ SO 2 : 150 mg/m³ 1. Sorptionsstufe HCl : 100 mg/m³ SO 2 : 75 mg/m³ 2. Sorptionsstufe HCl < 10 mg/m³ SO 2 < 30 mg/m³ Additiv Schadgaskonzentration Reaktionsprodukte i ~ 1,8 Abb. 9: Stöchiometrie Feinreinigungsstufe und Summenstöchiometrie Neben den sauren Schadgasgehalten gilt die Zweistufigkeit in der Abscheidung natürlich auch für alle Schwermetalle sowie für Dioxine/Furane. Schwankungen der Schadgasgehalte im Gas nach Kessel werden ohne Anhebung der Stöchiometrie kompensiert. Der Nachteil des gewählten Verfahrens liegt in dem Einsatz von zwei in Reihe geschalteten filternden Abscheidern. Die höheren Betriebskosten in Bezug auf Energieverbrauch und Filtermaterial müssen bei der Wirtschaftlichkeitsberechnung berücksichtigt werden. Allerdings ist ein solches Verfahren z. B., mit der Kombination Sprühtrockner filternder Abscheider zweistufiger Wäscher zu vergleichen..trockensorption
13 Ein weiteres Beispiel ist die MVA in Hameln. Das Schema der bereits 1993 installierten Anlage zeigt Abbildung 10, die erreichten Abscheidegrade Bild 11. Selektive nichtkatalytische Reduktion (SNCR) Kalkhydrat 2. Stufe TAV Herdofenkoks Ammoniakwasser Kamin Kessel E-Filter Abwärmedampferzeuger Kalkreaktor Gewebefilter Herdofenkoksadsorber Katalysator 1. Stufe TAV Verbrennung Rostschlacke Flugasche und Reaktionsprodukte aus der Rauchgasreinigung Abb. 10: Verfahrensschema MVA Hameln Messwertbeispiele für HCl- und SO 2 -Minderungen in den einzelnen Verfahrensstufen HCl mg/m³ SO 2 mg/m³ Einzelmeßwerte Minderung Einzelstufe nach Produktanalyse nach Produktanalyse Einzelmeßwerte Minderung Einzelstufe im Kessel vor TAV 1 ca ca nach TAV 1 = vor GF (TAV 2) ca. 250 ca. 70 % ca ca. 60 % nach GF = vor HOK 8 < 10 > 95 % ca ca. 90 % Abb. 11: Abscheidegrad 2-stufige Trockensorption.Trockensorption
14 Auf den Einsatz des Wanderbettadsorbers kann aus heutiger Sicht sicherlich verzichtet werden wobei dann pulverförmiges HOK/AK zur Dioxinabscheidung dem Gas zugegeben werden muss. Das Besondere an diesem Verfahrensbeispiel ist die Zugabe des teilgesättigten Additivs aus der zweiten Stufe vor Ekonomiser bei ca C. Während in der zweiten Stufe bei einer Gastemperatur von ca. 140 C die HCl-Abscheidung durch die hohe relative Gasfeuchte und den extrem hohen Stöchiometriefaktor unterstützt wird, wird in der ersten Stufe die Verbesserung der HCl-Abscheidung durch die reaktionsfördernde Wirkung der Wärme (Kinetik) genutzt (Abb. 12). Quelle: H. Mosch, ENERGIE SPEKTRUM, Dez Abb. 12: HCl-Abscheidegrad als Funktion der Temperatur Eine Beeinträchtigung des Wärmeüberganges im Ekonomiser durch die Additivzugabe wurde nicht festgestellt..trockensorption
15 Basierend auf den Betriebserfahrungen der beiden vorgestellten Anlagen wurde für eine EBS-Verbrennung ein analoges Verfahrenskonzept eingesetzt, das schematisch in Abbildung 13 dargestellt ist. Die in der Ausführung befindliche Anlage wird sicherlich auch bei hohen Schadgaskonzentrationen im Gas nach Kessel niedrige Emissionsgrenzwerte im Dauerbetrieb bei geringem Additivmittelverbrauch erreichen. Abb. 13: Schadgassorption mit hohen Abscheidegraden und niedriger Stöchiometrie Das zweistufige ( konditionierte ) Trockensorptionsverfahren kann an die jeweilige Aufgabenstellung angepasst werden z. B. durch Zugabe des teilgesättigten Additivs nicht vor den Ekonomiser sondern vor die erste Reaktor-Filter Stufe nach Ekonomiser und / oder durch zusätzliche Installation eines Verdampfungskühlers nach Kessel zur Einstellung der optimalen Gastemperatur..Trockensorption
16 3. Trockensorptionsverfahren unter Verwendung von NaHCO Allgemeiner Aufbau, Vor- und Nachteile In Konkurrenz zu Verfahren unter Verwendung von Ca-haltigen Additiven steht die Trockensorption mit NaHCO 3. Das in der Grundvariante sehr einfache Verfahren ist in Abbildung 14 dargestellt. Das Additiv wird in den Gasstrom vor Filter aufgegeben. Bei Gastemperaturen > 140 C kommt es zu einer thermischen Aktivierung des Natriumhydrogencarbonates. Es entsteht ein hoch reaktives Natriumcarbonat. In der Regel lassen sich die geforderten Emissionsgrenzwerte bei richtiger Anlagenauslegung mit einem überstöchiometrischen Faktor von 1,2 1,5 im Dauerbetrieb sicher einhalten. Abb. 14: Basisvariante Trockensorption mit NaHCO 3.Trockensorption
17 Als wesentliche Vorteile des Verfahrens sind zu nennen: hohe Reaktivität des Additivmittels relativ einfacher Anlagenaufbau Reststoffmenge verringert sich gegenüber Additivmittelzugabemenge (Vorteil bei hohen Entsorgungskosten) geringere Hygroskopie der entstehenden Salze Dem stehen als Nachteile gegenüber: ungünstiges Massenverhältnis Additiv zu Schadgas Aufmahlung des Additivs vor Zugabe in den Gasstrom notwendig gegenüber Ca-haltigen Additiven höhere spezifische Beschaffungskosten des Additivmittels geringere Affinität gegenüber HF 3.2 Einflussgrößen auf die Additivmittelausnutzung Gastemperatur und Partikelrezirkulation Bild 15 zeigt als Anwendungsbeispiel die Gasreinigung hinter einer Hausmüllverbrennung. Diese Anlage wurde im Vergleich zu der in Bild 14 dargestellten Basisvariante ergänzend ausgerüstet mit einem Verdampfungskühler zur Einstellung der Gastemperatur sowie mit einer Partikelrückführung. Im Rahmen der Anlagenoptimierung wurde sowohl die Gastemperatur als auch die Rückführrate variiert. Bild 16 verdeutlicht den Einfluss der Gastemperatur auf den Additivmittelverbrauch. Über einen Zeitraum von 2 Stunden wurde die Temperatur um 20 Kelvin von 175 C auf 155 C abgesenkt. Deutlich zu erkennen ist der Anstieg der Reingaswerte insbesondere für SO 2 sowie der Mehrverbrauch an Additiv. Ein ähnliches Verhalten wurde beobachtet, bei Anlagenbetrieb mit und ohne Partikelrückführung. Trotz einer Kontaktzeit des Gases mit den Additivpartikeln vor den Filterschläuchen von > 2 Sekunden, kann mit vielfacher Rückführung der im Filter abgeschiedenen Partikel in den Gasstrom vor Filter der Additivmittelverbrauch gesenkt werden..trockensorption
18 NaHCO 3 Mühle HOK vom E-Filter H 2 O Kugelrotor Reaktor KUV Rohgaswerte : Volumenstrom : m³/h i. N. f. Temperatur vor Quench: 250 C Partikel : 90 mg/m³ i. N. tr. HCl : 1200 mg/m³ i. N. tr. HF : 20 mg/m³ i. N. tr. SO 2 : 300 mg/m³ i. N. tr PCDD/PCDF : 3 ng/m³ i. N. tr. Hg : 0,4 mg/m³ i. N. tr. Gewährleistung : Partikel : 10 mg/m³ i. N. tr. HCl : 10 mg/m³ i. N. tr. HF : 1 mg/m³ i. N. tr. SO 2 : 50 mg/m³ i. N. tr. PCDD/PCDF : 0,1 ng/m³ i. N. tr. Hg : 0,05 mg/m³ i. N. tr. Abb. 15: Anwendungsbeispiel: Hausmüll-Verbrennung SO 2 -Reingas Temperatur Additivmitteldosierung HCl-Reingas Abb. 16: Trendkurve Emissionswerte, Temperatur und Additivmittelverbrauch.Trockensorption
19 3.2.2 HF-Abscheidung Weitere Untersuchungen wurden vorgenommen in Bezug auf die Abscheidung von HF. Festgestellt wurde hier ein Zusammenhang zwischen SO 2 - und HF- Reingasgehalt (Abb. 17). Um einen HF-Reingaswert < 1 mg/m³ gesichert einzuhalten, ist ein SO 2 -Reingaswert < ca. 25 mg/m³ erforderlich. Eine weitere Anhebung des Additivmittelverbrauches ist notwendig, wenn niedrigere HF- Reingaskonzentrationen erreicht werden müssen. Ergänzend sei angemerkt, dass die HF-Konzentration im Gas vor Additivmittelzugabe in der Größenordnung von 5 mg/m³ lag. 2,5 HF-Reingasgehalt [mg/m³i.n.tr.] 2 1,5 1 0, SO2-Reingasgehalt [mg/m³i.n.tr.] Abb. 17: Korrelation HF- - SO 2 -Reingaswerte 4. Betriebskostenvergleich Die Auswahl des bestgeeigneten Verfahrens wird maßgeblich mit beeinflusst von den zu erwartenden Gesamtkosten. Nachfolgend werden hierzu 2 Beispiele zur Abschätzung der aus dem Additivmitteleinsatz hervorgehenden Betriebskosten aufgezeigt. Als erstes Beispiel wird die unter 3.2 vorgestellte Anlage betrachtet. Im Rahmen der Anlagenplanung wurde anhand der vom Betreiber vorgegebenen Kosten für die Additivmittelbeschaffung und entsorgung eine vergleichende Bewertung zwischen einem Trockensorptionsverfahren unter Verwendung von NaHCO 3 und einem konditioniertem Trockensorptionsverfahren unter Verwendung von Ca(OH) 2 durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt..trockensorption
20 Benennung Dimension kond. Trockensorption mit Kalkhydrat Trockensorption mit Natriumbicarbonat Volumenstrom m³/h i. N. tr HCl-Gehalt mg/m³ i. N. tr HF-Gehalt mg/m³ i. N. tr SO 2 -Gehalt mg/m³ i. N. tr HCl-Fracht kg/h 28,8 28,8 HF-Fracht kg/h 0,5 0,5 SO 2 -Fracht kg/h 7,2 7,2 Absorptionsmittel Ca(OH) 2 NaHCO 3 erforderliche Stöchiometrie 2,00 1,25 Bedarf alkalisches Absorptionsmittel kg/h Reststoffanfall aus Additivzugabe kg/h Kosten / Versorgung Verfahren alkalisches Absorptionsmittel EP EURO/to Bedarf to/a Kosten EURO/a Reststoffe EP EURO/to Anfall to/a Kosten EURO/a SUMME betrachtete Kosten EURO/a Tab 1: Betriebskosten aus Additiv ohne HOK/AK Beispiel 1 Die aus den Additivmitteln hervorgehenden Kosten liegen für beide Verfahren in etwa gleicher Größenordnung. Zwar liegen die Beschaffungskosten für NaHCO 3 gegenüber Ca(OH) 2 deutlich höher, jedoch wird dies durch die relativ hohen spezifischen Entsorgungskosten und die deutlich geringere Reststoffmenge bei Einsatz von NaHCO 3 kompensiert. Auf Grund der zu erwartenden Vorteile bei Einsatz von NaHCO 3 in Bezug auf Energie- und Wasserverbrauch sowie die niedrigeren Investitionskosten fiel die Entscheidung zu Gunsten des Trockensorptionsverfahrens mit NaHCO 3. Ein zweites Beispiel zeigt Tabelle 2. Im Wesentlichen unterscheidet sich diese Anlage durch die größere Verbrennungskapazität sowie günstigere spezifische Entsorgungskosten für das aus dem Filter ausgetragene Restprodukt. Hier ergibt sich ein deutlicher Vorteil für das konditionierte Trockensorptionsverfahren mit Ca(OH) 2. Auch wenn man für dieses Verfahren einen höheren Strom- und Wasserverbrauch berücksichtigen muss, verbleibt ein Kostenvorteil der eine höhere Investition rechtfertigt. Die Betriebskosten können weiter gesenkt werden, wenn CaO anstelle Ca(OH) 2 unter zusätzlicher Installation eines Trockenlöschers verwendet wird..trockensorption
21 Benennung Dimension kond. Trockensorption mit Kalkhydrat Trockensorption mit Natriumbicarbonat Volumenstrom m³/h i. N. tr HCl-Gehalt mg/m³ i. N. tr HF-Gehalt mg/m³ i. N. tr SO 2 -Gehalt mg/m³ i. N. tr HCl-Fracht kg/h 144,0 144,0 HF-Fracht kg/h 1,4 1,4 SO 2 -Fracht kg/h 72,0 72,0 Absorptionsmittel Ca(OH) 2 NaHCO 3 erforderliche Stöchiometrie 2,00 1,30 Bedarf alkalisches Absorptionsmittel kg/h Reststoffanfall aus Additivzugabe kg/h Kosten / Versorgung Verfahren alkalisches Absorptionsmittel EP EURO/to Bedarf to/a Kosten EURO/a Reststoffe EP EURO/to Anfall to/a Kosten EURO/a SUMME betrachtete Kosten EURO/a Tab 2: Betriebskosten aus Additiv ohne HOK/AK Beispiel 2 Zwei wesentliche Einflussfaktoren auf die Auswahl eines Verfahrens auf Basis NaHCO 3 oder Ca-haltiger Additive sind Anlagengröße -> mit zunehmender Anlagengröße ergeben sich Vorteile für Verfahren mit Ca-haltigen Additiven. Spezifische Kosten für Reststoffe -> mit höheren spezifischen Kosten für die Entsorgung ergeben sich Vorteile für NaHCO3 5. Verfahrensauswahl Die vorstehenden Ausführungen haben gezeigt, dass sowohl konditionierte Trockensorptionsverfahren unter Einsatz von Ca-haltigen Additiven als auch Trockensorptionsverfahren auf Basis NaHCO 3 in der Lage sind, den heutigen Anforderungen hinsichtlich Sorption saurer Schadgaskomponenten gerecht zu werden. Die gültigen Emissionsgrenzwerte lassen sich im Dauerbetrieb gesichert einhalten. Darüber hinaus ist bei Zugabe geeigneter Additive zusätzlich die simultane Abscheidung von Dioxinen/Furanen und Quecksilber gesichert möglich..trockensorption
22 Allerdings gibt es kein bestes Verfahren für alle Anwendungsfälle. Jede Aufgabenstellung muss individuell betrachtet werden. Als Auswahlkriterien für die Bewertung sind zu nennen geforderte Abscheidegrade (Durchschnittswerte und Max.-Werte sowie Peaks) Emissionsgrenzwerte Investitionskosten Betriebskosten wie Additivversorgung und entsorgung sowie Energiekosten (Strom und Druckluft) Kosten für Wartung und Instandhaltung Anlagenverfügbarkeit und Betriebssicherheit Teillastverhalten Flexibilität in Bezug auf sich ändernde Rohgaswerte, Emissionsgrenzwerte und spezifische Betriebskosten.Trockensorption
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