Was ist Rauchgasentschwefelung?
Rauchgasentschwefelung (FGD) beschreibt einen Prozess, der Schwefeldioxid (SO2) aus einem Rauchgas (Abgas) Strom entfernt. Schwefeldioxid wird in die Atmosphäre freigesetzt, wenn fossile Brennstoffe verbrannt werden, und ist ein Hauptverursacher von Sauren Regen. Der FGD-Prozess ist für viele Industrieanlagen aufgrund zunehmend strengerer Umweltvorschriften entscheidend geworden. Obwohl der FGD-Prozess in vielen Branchen vorhanden ist, konzentriert sich dieser Artikel auf FGD-Anlagen, die mit der Energieerzeugungsindustrie verbunden sind, insbesondere für Kohlekraftwerke.
Gut zu wissen - ‘Entschwefelung’ wird auch als ‘Desulfurierung’ geschrieben, ersteres ist britisches Englisch, während letzteres amerikanisches Englisch ist.
Kohlekraftwerk-Abgassystem mit hervorgehobener Rauchgasentschwefelung
Warum brauchen wir Rauchgasentschwefelung?
Die meisten fossilen Brennstoffe (Kohle, Öle usw.) enthalten etwas Schwefel. Wenn ein fossiler Brennstoff verbrannt wird, wird der darin enthaltene Schwefel durch den Verbrennungsprozess in die Atmosphäre freigesetzt. Einige Kohlen können bis zu 4% Schwefel enthalten, was eine erhebliche Menge ist, wenn man bedenkt, dass ein Kohlekraftwerk mehr als 5.000 Tonnen Kohle pro Tag verbrennen kann.
Schwefeldioxid verbindet sich leicht mit Wasser und verbindet sich folglich leicht mit Feuchtigkeitswolken in der Atmosphäre. Sobald eine Wolke ausreichend mit Feuchtigkeit gesättigt ist, bilden sich Wassertropfen und fallen aufgrund der Schwerkraft zu Boden; dieser Prozess wird als Niederschlag (Regen) bezeichnet.
Leider wird das Wasser, wenn es Schwefeldioxid aufnimmt, saurer. Folglich nimmt der pH-Wert der in der Atmosphäre schwebenden Wassermoleküle (Feuchtigkeit) ab, wenn Feuchtigkeitswolken das Schwefeldioxidgas aufnehmen, und es wird saurer. Der saure Regen - umgangssprachlich als Saurer Regen bezeichnet - fällt dann aufgrund der Schwerkraft zu Boden.
Wald durch sauren Regen beschädigt
Saurer Regen schädigt Ernten, Infrastruktur, Vegetation, Boden und trägt zur Ozeanversauerung bei. Da Schwefeldioxid ein großer Verursacher der Ursachen von saurem Regen ist, wurden Umweltgesetze erlassen, um SO2-Produzenten zu zwingen, die Menge an SO2, die sie erzeugen, zu reduzieren. Einer der Hauptproduzenten von Schwefeldioxid sind Kohlekraftwerke, folglich sind sie gezwungen, FGD-Systeme zu installieren, um ihre SO2-Emissionen zu reduzieren und die Umweltvorschriften einzuhalten.
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Rauchgasentschwefelung (FGD)
FGD-Prozesse werden entweder als ‘nass’ oder ‘trocken’ bezeichnet. Trockene FGD-Systeme verwenden ein Reagenz in Pulverform (trockene Form). Nasse FGD-Systeme verwenden eine alkalische Aufschlämmung, die nach dem Mischen eines trockenen Reagenz mit Wasser entsteht. Obwohl zwei Haupttypen von FGD-Designs möglich sind, sind mehr als 75% der FGD-Systeme zur Energieerzeugung nass.
Schema einer nassen Rauchgasentschwefelung
Wie funktioniert die Rauchgasentschwefelung
Das wirtschaftlichste Mittel zur Entfernung von SO2 aus einem Rauchgasstrom ist eine chemische Reaktion mit einem Reagenz. Ein Reagenz ist eine Substanz oder Verbindung, die einem System hinzugefügt wird, um eine chemische Reaktion zu verursachen. Geeignete Reagenzien sollten das SO2 für die Umwelt unschädlich machen und gleichzeitig ein Nebenprodukt erzeugen, das die Umwelt nicht schädigt.
Die am häufigsten verwendeten Reagenzien in FGD-Systemen sind Kalk (Calciumoxid) und Kalkstein (CaCO3). Andere Reagenz-Alternativen existieren, z.B. Ammoniak, aber Kalkstein ist am weitesten verbreitet. Der Hauptgrund für die weit verbreitete Verwendung von Kalkstein ist, dass er reichlich vorhanden, billig und leicht zugänglich ist; all diese Faktoren hängen jedoch von der geografischen Lage ab.
Die Nebenprodukte des Rauchgasentschwefelungsprozesses sind normalerweise Calciumsulfit (CaSO3) und/oder Calciumsulfat (CaSO4). Das produzierte Nebenprodukt hängt davon ab, welches Reagenz und welches FGD-Systemdesign verwendet wird. Unabhängig vom Reagenz und Design ist das Nebenprodukt normalerweise calciumhaltig.
Das nasse ‘Wegwerf’-FGD-Design ist das am häufigsten verwendete FGD-Design, das heute von fossil befeuerten Kraftwerken eingesetzt wird. Der nächste Abschnitt beschreibt, wie ein typischer nasser Kalksteinabsorberturm funktioniert.
Nasser Rauchgaswäscher-Turm
Wie funktioniert die nasse Rauchgasentschwefelung?
Das untenstehende Video ist ein Auszug aus unserem Einführung in elektrische Transformatoren Online-Videokurs.
Kalkstein wird in zerkleinerter oder ganzer Form zur Anlage geliefert. Zerkleinerter Kalkstein kann direkt in ein Lagersilo geliefert werden, bevor er in einer speziellen Mischeinheit mit Wasser gemischt wird. Unzerkleinerter Kalkstein muss vor dem Mischen mit Wasser oder der Lagerung eine Größenreduktionsstufe durchlaufen. Die Größenreduzierung kann mit Vor-Ort-Brechern oder Mühlen erreicht werden, z.B. Backenbrecher, Kreiselbrecher, Kugelmühlen, Kegelbrecher usw.).
Gemahlener Kalkstein wird mit Wasser gemischt, um eine alkalische Aufschlämmung zu bilden. Eine alkalische Aufschlämmung ist jede Aufschlämmung mit einem pH-Wert über 7,0, aber für Betriebszwecke wird normalerweise ein pH-Wert von 8,0 angestrebt (abhängig vom Systemdesign).
Rauchgas wird aus dem Kraftwerk Wasserrohrkessel(n) abgegeben, durchläuft ein Filterhaus oder einen elektrostatischen Abscheider (ESP) und wird dann zur Entschwefelungsanlage geleitet. Die Rauchgastemperatur beträgt beim Eintritt in die Rauchgasentschwefelungsanlage etwa 150°C (300°F) oder mehr. Das im Rauchgas enthaltene Schwefeldioxidgas wird durch nasses Waschen abgetrennt.
Nasse Rauchgasentschwefelung
Das nasse Waschen wird erreicht, indem das Rauchgas von unten nach oben durch den Wäscher-Turm geleitet wird. Die alkalische Aufschlämmung bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung (von oben nach unten); diese Anordnung wird als ‘Gegenstrom’ bezeichnet, aufgrund der entgegengesetzten Fließrichtungen der beiden strömenden Medien. Beachten Sie, dass das Gegenstromdesign auch manchmal als Kontrafluss bezeichnet wird. Von allen Fließdesigns (Gegenstrom, Kreuzstrom und Parallelstrom) ist das Gegenstromdesign das effizienteste für den Wärmeaustausch und das Mischen der strömenden Medien.
Um einen effizienten direkten Kontakt zwischen der alkalischen Aufschlämmung und dem Rauchgas sicherzustellen, wird eine Reihe von Sprüheinrichtungen mit Sprühdüsen verwendet. Sprühdüsen geben die alkalische Aufschlämmung gleichmäßig innerhalb des Turms ab, was sicherstellt, dass die strömenden Medien eine große Kontaktfläche miteinander haben. Die unteren Sprüheinrichtungen arbeiten bei einem pH-Wert von ca. 4,0, während die oberen Einrichtungen bei einem pH-Wert von ca. 6,0 oder mehr arbeiten. Sprühdüsen arbeiten bei niedrigem Druck, etwa 1 bar (14,5 psi).
Die alkalische Aufschlämmung fällt von der Sprüheinrichtung auf ein perforiertes Tablett. Das perforierte Tablett zwingt das Rauchgas, beim Durchgang durch den Turm durch die Aufschlämmung zu blubbern, was einen guten direkten Kontakt zwischen der Aufschlämmung und dem Rauchgas sicherstellt.
Nachdem die Aufschlämmung durch die Löcher im perforierten Tablett hindurchgegangen ist, fällt sie aufgrund der Schwerkraft an die Basis des Turms und wird im Abwasserbehälter (EHT) (manchmal auch als Reaktionsverzögerungstank bezeichnet) gesammelt. Aufschlämmung, die mit dem Rauchgas mitgerissen wird, wird durch einen Nebelabscheider an der Spitze des Turms abgetrennt und zum EHT zurückgeführt.
Nebelabscheider (grün zeigt Gas, blau zeigt Aufschlämmung)
Wasser in der Aufschlämmung nimmt das Schwefeldioxidgas leicht auf, während die alkalische Natur der Aufschlämmung die Säure des Gases neutralisiert. Das Wasser wird als Absorbens bezeichnet, während der Kalkstein als Reagenz bezeichnet wird. Das verbleibende Rauchgas wird an der Spitze des Turms abgegeben, aber bis zu 99% des SO2 können nun entfernt worden sein (typischerweise werden 90% bis 95% entfernt).
Die Reaktion der alkalischen Aufschlämmung mit Schwefeldioxid erzeugt Calciumsulfit (CaSO3), diese chemische Reaktion kann ausgedrückt werden als:
CaCO3 + 1 SO2 → CaSO3 + CO2
Die weitere Oxidation von Calciumsulfit erzeugt Calciumsulfat (CaSO4), diese chemische Reaktion kann ausgedrückt werden als:
CaSO3 + 2H2O + ½O2 → CaSO4 · 2H2O
Druckluft (Druck von ca. 1 bar / 14,5 psi) wird in die Basis des Abwasserbehälters injiziert, wo sie durch die Aufschlämmung nach oben blubbert. Aufgrund der Injektion von Druckluft in die Aufschlämmung erfolgt eine erzwungene Oxidation des Calciumsulfits und es bildet sich Calciumsulfat. Ein Teil der im EHT gehaltenen Aufschlämmung wird zurück zur Sprüheinrichtung zirkuliert, aber ein Teil der Aufschlämmung wird zur Entwässerung aus dem Turm abgegeben. Rührwerke (Propeller, die mit Drehstrommotoren verbunden sind) verhindern die Kalziumverfestigung im EHT.
Der Entwässerungsprozess trennt FGD-Nebenprodukte von der Aufschlämmung. Die Aufschlämmung enthält beim Austritt aus dem Turm etwa 10-15% kalziumbasierte Feststoffe. Maschinen, die im Entwässerungsprozess häufig verwendet werden, umfassen Vakuumfilter, Hydrozyklone und Kläreinrichtungen (Verdicker). Sobald die kristalline kalziumbasierte Substanz extrahiert wurde, kann sie entweder verkauft oder entsorgt werden.
FGD-Nebenprodukte sind oft verkäuflich und können verkauft werden, um die Betriebskosten der Anlage insgesamt zu senken. Calciumsulfat ist auch als ‘Gips’ bekannt und wird für viele kommerzielle Produkte verwendet. Die häufigste Verwendung von Gips ist für Gipskartonplatten (Wandplatten) in der Bauindustrie, aber es wird auch in der Landwirtschaft als Dünger verwendet. Wenn das Nebenprodukt nicht verkauft werden kann, wird es oft mit Flugasche gemischt und auf eine Deponie gebracht.
Mann hält Gipskartonplatte
Konstruktionsmaterialien für nasse Wäscher-Türme
Es ist notwendig, die Konstruktionsmaterialien des Turms sorgfältig auszuwählen, da die Umgebung im Turm korrosiv und abrasiv ist. Die Konstruktionsmaterialien hängen von den Komponenten und dem Design des Turms ab, aber Edelstahl, Fiberglas und gummierte Kohlenstoffstahl sind gängige Konstruktionsmaterialien.
Effizienz des FGD-Prozesses
Die Flüssig-zu-Gas (L/G) Durchflussraten durch einen nassen Wäscher-Turm haben einen großen Einfluss auf seine Betriebseffizienz. Typischerweise wird ein hohes L/G-Verhältnis angestrebt, da dies sicherstellt, dass so viel SO2 wie wirtschaftlich möglich aus dem Rauchgas entfernt wird, während auch die Verfestigung der alkalischen Aufschlämmung im Turm verhindert wird. Die Verfestigung der Aufschlämmung führt zu reduzierten Fließwegen im Turm, verstopften Sprühdüsen und ist schwer zu entfernen (sehr hart und klebrig).
Der pH-Wert der alkalischen Aufschlämmung steigt, wenn sie mit Schwefeldioxid reagiert, daher ist es notwendig, dem EHT kontinuierlich Kalkstein zuzuführen, damit der pH-Wert der Aufschlämmung konstant gehalten werden kann. Eine Reduzierung des pH-Werts der Aufschlämmung führt zu einer entsprechenden Reduzierung der FGD-Effizienz.
Zusätzliche Ressourcen
https://en.wikipedia.org/wiki/Flue-gas_desulfurization
https://www.mhps.com/products/aqcs/lineup/flue-gas-desulfurization
https://www.lime.org/lime-basics/uses-of-lime/enviromental/flue-gas-desulfurization