Kalkverbrauch in CDAS-Anlage höchst wirtschaftlich

Schwandorfer Erinnerungen

Die CDAS-Anlage (Conditional Dry Absorption System) in Schwandorf ist seit 1992 in der Wirtschaftlichkeit des Kalkhydratverbrauchs stets Vorreiter. Andere Anlagenbetreiber kommen an die guten Werte zum Teil deswegen nicht heran, weil die detailreichen Überlegungen zur Technikoptimierung, die Steuerung der Abpulsung des Filterkuchens, die analytische Überwachung der Chloride in den Reststoffen und die bedarfsgerechte Direkteinblasung von Kalkhydrat in die Feuerung, in Vergessenheit zu geraten drohen.

Stöchiometrie – Theorie und Praxis eines Zauberworts

Die Effizienz der Rauchgasreinigung wird im Wesentlichen durch den Stöchiometriefaktor, also durch die absorptiven Eigenschaften der Kalkprodukte bzw. ihrer Partikelstruktur beschrieben. Die chemische Formel aber gibt nur das ideale Verhältnis der Reaktionen wieder:

In der Praxis sind jedoch die Anlagenkonstruktion und die Reaktionswege bzw. –zeiten und –bedingungen entscheidend für das Reinigungsergebnis. Es hat sich gezeigt, dass der Konzentration von Cl-Ionen in den Reststoffen sowie den Temperatur- und Druckverhältnissen im Rauchgas erhöhte Aufmerksamkeit zu schenken sind. Ebenfalls nicht unwichtig: In welcher Form wird das Kalkhydrat eingebracht, und unter welchen Bedingungen bildet sich ein optimaler Filterkuchen aus?

Der entscheidende theoretische Fehler

Die beobachteten Effekte einer besseren SO2-Abscheideleistung bei höherer Rauchgasfeuchte passten gut zu der Annahme, dass bei der Reaktion mit HCl hygroskopisches Calciumchlorid-Dihydrat gebildet wird, was zu einer verbesserten SO2-Abscheidung führen könnte. Alle Überlegungen zu Optimierungen gehen immer von dieser Tatsache aus.

Die genaue Analyse der Rückstände zeigt jedoch, dass tatsächlich kein Calciumchlorid-Dihydrat nachgewiesen werden kann. Auf der anderen Seite gibt es aber den positiven Effekt der besseren SO2-Abscheidung bei Anwesenheit von HCl und H2O im Temperaturbereich von 140 – 850°C. Erst die Versuche der Anlage in Schwandorf haben gezeigt, dass die Formel

Ca(OH)2 + 2HCl  <-> CaCl2 • 2H2O

bezüglich der Bildung von Calciumchlorid-Dihydrat anders interpretiert werden muss. In Schweizer Untersuchungen konnte 1995 nachgewiesen werden, dass die HCl-Bindung zu Calciumhydroxid hauptsächlich über die Hydroxychloride abläuft:

Ca(OH)2 + HCl <-> CaClOH + H2O

CaClOH + HCl <-> CaCl2 + H2O

Der gleiche Mechanismus wurde auch bei der Reaktion von HCl mit CaO bei 600°C beobachtet.

Anhand von Untersuchungen in der Schwandorfer Anlage konnte im Jahre 2004 festgestellt werden, dass die Zugabe von kalten Partikeln in den heißen, feuchten Rauchgasstrom zu einer Kondensation von Feuchtigkeit auf der Partikeloberfläche führt und durch das daraus resultierende Kristallwachstum eine höhere Abscheiderate und –geschwindigkeit erzielt werden konnte.

Der „Teebeuteltest“

Zur Durchführung von in-situ-Tests im realen Rauchgas wurden Teflon-Testbeutel mit Kalkprodukten in das Rauchgas des CDAS-Reaktors eingebracht. Im Ergebnis konnte gezeigt werden, dass zu Beginn der Reaktion praktisch nur Calciumcarbonat aufgrund des hohen Anteils an CO2 im Rauchgas gebildet wird. Dieses Carbonat reagiert dann erst mit HCl und SO2. Dieses Ergebnis konnte ebenfalls mit frisch gefälltem und getrocknetem synthetisch erzeugtem Carbonat bestätigt werden.

Somit gibt es zwei mögliche Reaktionsmechanismen (s. Abb.) für die HCl und SO2-Abscheidung.

Das Übel an der Wurzel packen

Schon 1999 haben die Schwandorfer Experten festgestellt, dass durch die Eindüsung von Kalkhydrat in die Ausbrandzone der Feuerung eine drastische Reduktion der SO2-Rohgaskonzentration um ca. 40% erzielt werden kann. Daraus entstand schließlich eine feste Zusatzeinrichtung, die zu einer optimalen Ausnutzung des Kalkhydrats führte.

Weitere Optimierungsstrategien

Neben der genauen Ergründung der chemischen Zusammenhänge wurden natürlich auch die physikalischen Parameter optimiert. So wurden

  • die Wasser-, Kalkhydrat- und Reaktionsprodukt­rückführung vergrößert, um eine größtmögliche Wasserverdampfung vor dem Kontakt mit dem Absorptionsmittel zu erzielen
  • die Wasserlanzen und das Sprühbild wesentlich verbessert
  • die Bildung kalter Brücken und damit Korrosionsprobleme reduziert
  • die Rauchgastemperatur auf 140°C geregelt, unhabhängig vom Feuchtegehalt des Rauchgases
  • die Reaktionsproduktrückführung in Abhängigkeit des Chloridgehaltes vorgenommen
  • die Steuerung der Filterkuchenschicht durch das Verhältnis von Abpulsung und pneumatischem Transport der Reaktionsprodukte realisiert.

All diese Optimierungen hätten die Schwandorfer nicht erreichen können, wenn sie nicht in vielen Messreihen – gerade auch mit dem „Teebeutel-Test“ – die optimalen Absorptions-, Druck- und Temperaturverhältnisse ausgelotet und die theoretischen Vorgaben in Frage gestellt hätten.

Die Ergebnisse der in vielen Einzelschritten immer wieder optimierten und äußerst ökonomisch arbeitenden CDAS-Anlage von 1992 mit ihrer Halbierung des Kalkhydratverbrauchs gegenüber der ursprünglich konzipierten Anlage können nicht oft genug in Erinnerung gebracht werden.

Literatur: J. Krüger, „Development of the Semi-dry Flue Gas Cleaning at the Schwandorfer Waste-to-energy Plant”, VGB Power Tech 10/2007, S. 82 - 89