Einsatz moderner Düsentechnik zur Luftreinhaltung in Kraftwerken

Anlagenoptimierung am Beispiel von Kraftwerken in Indonesien & Italien

Kurzfassung

Klimaschutz ist keine lokale, sondern eine globale Herausforderung; insbesondere was die Reinhaltung der Luft anbelangt. Für die Einhaltung von Umweltstandards sind daher weltweit neue technische Lösungen nötig. Beispielhaft für die Luftreinhaltung bei Verbrennungsprozessen, werden in dieser Arbeit die Staubminderungsvorkehrungen in Sebalang (Indonesien) und das Rauchgasentstickungssystem in Pisa (Italien) analysiert.

1. Minderung von Feinstaubemissionen (Indonesien)

Aktuell deckt Indonesien über 50% seines Strombedarfs mit Kohle [1]. Das Kohlekraftwerk Sebalang wurde 2008 errichtet und läuft derzeit in zwei Blöcken mit je 50 MW Leistung.

Abbildung 1a: CAD Darstellung der Düsenkonfiguration am Schaufelrad
Abbildung 1b: Düsenkonfiguration am Schaufelrad

Bei der Vorbehandlung von Kohle für die Verbrennung entstehen bei vielen Prozessschritten diffuse Feinstaub-emissionen. Diese beeinflussen direkt die Gesundheit der Mitarbeiter und je nach Verbreitungsweg auch die Umwelt. Spraying Systems Co. (SSCo) installierte an verschiedenen Stellen der Anlage fast 200 Sprühdüsen zur Staubunterdrückung bzw. Staubnieder- schlagung.

Das Ziel war es den Feinstaub mit Wasser zu binden und so die Emissionen deutlich zu mindern. Nur wenn die Staubpartikel mit den Wassertropfen agglomerieren, können sie abgeschieden werden. Für den Abscheideerfolg ist die Tropfengröße der Düsen ein entscheidender Parameter [2]. Sind die Tropfen zu groß, umströmen die Staubpartikel die Tropfen. Zu kleine Tropfen werden von der Umgebungsluft genau wie die Staubpartikel mitgerissen, sodass ebenfalls keine Abscheidung stattfindet. Daher wurden zunächst geeignete Düsentypen für die jeweiligen Einsatzorte ausgewählt. Die Ingenieure stützten sich dabei auf ein Berechnungssystem, das bereits bei ähnlichen Anlagen erfolgreich zum Einsatz kam [3]. In Sebalang wird die Steinkohle per Schiff angeliefert. Von der Endladestelle läuft sie über 850 m Förderbändern in einen unterirdischen Bunker. Auf ihrem Weg passiert die Kohle fünf Transfertürme (Abbildung 2, TT01-TT06), wird zerkleinert und mehrmals umgeladen. Diese Umladepunkte sind besonders kritisch in Bezug auf Feinstaub-emissionen. Direkt am Schaufelrad wurden hydraulische Düsen vom Typ FogJet® 7G [i] eingesetzt, die von oben auf das Rad sprühen (Abbildung 1).





Abbildung 2: Übersicht des Kohletransportweges im Kraftwerk Sebalang

[i] FogJet, WhirlJet und FloMax sind eingetragene Marken von Spraying Systems Co.

7G Vollkegeldüsen bestehen aus einem Kopf mit sieben kleineren Düsen. Sie erzeugen ein feines Tropfenbild und verhindern so effektiv die Verbreitung des aufgewirbelten Staubs. An den einzelnen Transfertürmen (TT) wurden Hohlkegeldüsen vom Typ WhirlJet® BD ringförmig installiert, die schräg von oben auf die Förderbänder sprühen. Die Tropfen bilden eine Art Vorhang und unterdrücken durch Partikelbindung die Staubbildung bzw. -verbreitung. Schließlich wurden vor dem Eintritt zum Bunker Zweistoffdüsen verwendet. Diese zerstäuben das Wasser mit Druckluft und produzieren so ein extra feines Tropfenspektrum (d32 ≈ 30 µm [1]). Dadurch können an dieser Stelle auftretende besonders feine Stäube sehr gut gebunden werden. Alle Zuleitungen zu den Düsensystemen wurden zusätzlich mit Filtern ausgestattet. Dies verlängerte Wartungsintervalle sowie die gesamte Lebensdauer der Düsen [4]. Die optimale Positionierung aller Düsensysteme wurde in CAD-Darstellungen (Computer-Aided Design) simuliert. Die letzte Feinabstimmung erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Betreiber vor Ort. Schlussendlich konnte die Staubbildung dank des Einsatzes von SSCo Düsentechnik signifikant reduziert werden; eine deutliche Verbesserung für Mitarbeiter und Umwelt.


[1] Bei Betrieb mit 3 barg Zerstäubungsluft und 3 barg Wasserdruck

2. Reduzierung von Stickoxiden (Italien)

In der Glasherstellung ist der Schmelzprozess Hauptverursacher von Stickoxidemissionen (NOx). Drei wesentliche Entstehungswege sind dabei thermisches NOx und promptes NOx, sowie die Oxidation von freigesetztem Stickstoff aus Brennstoff oder Rohstoffen für die Glasherstellung [5]. Ein Glashüttenwerk in Pisa wurde zur Reduzierung von Stickoxidemissionen (DeNOx) im Jahr 2019 mit einem neuen SCR-System (Selective Catalytic Reduction) ausgestattet. Das Ziel war eine Reduktion des NOx-Gehalts im Rauchgas von ca. 1600 mg/Nm³ auf < 300 mg/Nm³. Dazu wird Ammoniakwasser (NH4OH) vor einem Katalysator eingesprüht. Bei höheren Temperaturen gast das Ammoniak aus und das Wasser verdampft [6]. Die Umsetzung der Stickoxide erfolgt dann mit Ammoniakgas am Katalysator nach den folgenden (vereinfachten) Reaktionsgleichungen [7]:

4 NO +4 NH3 +O2 → 4 N2 + 6 H2O

NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O

Unter den Annahmen, dass die NOx-Emissionen hauptsächlich aus Stickstoffmonoxid bestehen und, dass die Reaktion maximal mit einer Effizienz von 90% abläuft, wird die notwendige Menge an NH4OH berechnet. Die für die Reaktion zur Verfügung stehende freie Strecke war in Pisa 13 Meter. Unter Anwendung von computergestützten Simulationsmethoden wurde der richtige Düsentyp bestimmt, welcher ein feines Tropfenspektrum und folglich eine schnelle Reaktion von Ammoniakwasser und Abgas garantiert. Gleichzeitig sollte der Zerstäubungsluftverbrauch gering sein.

droplet diameter diagram
Abbildung 3: Größe der Tropfen von NH4OH in Abhängigkeit von ihrer Entfernung zum Düsenaustritt

Abbildung 3 zeigt, dass mit FloMax® Düsen vom Typ FMX030 eine vollständige Verdampfung des NH4OH vor dem SCR-Katalysator erreicht werden kann. Der Computersimulation folgend wurden zwei Düsenlanzen mit FMX030 Düsen im Rauchgaskanal installiert, die parallel zur Strömungsrichtung sprühen. Seit Mitte 2019 sind diese erfolgreich im Einsatz und helfen dem Anlagenbetreiber die vorgeschriebenen Stickoxidgrenzwerte einzuhalten. Somit konnten in beiden Anwendungsbeispielen die Emissionswerte durch den Einsatz von Düsentechnik deutlich verbessert werden.

Literaturverzeichnis
[1] Ministry of Energy and Mineral Resources: Indonesian Electricity Supply Business Plan 2019 (RUPTL). Jakarta (Indonesien) 2019.
[2] Klenk, U.: Der Einsatz von Sprühdüsen zur Reduzierung diffuser Staubemissionen. 5. VDI-Fachtagung Diffuse Emissionen. Düsseldorf 2013.
[3] Systems Co.: Equipment Manufacturer Keeps Workers and Environment Safe. Case Study 193 (2014).
[4] Barber, J: How to Pre-empt a Significant Profit Drain: Nozzle Wear. Spraying Systems Co. White Paper 106(2009) S. 5.
[5] Scalet, B.M., Garcia Munoz, M., Sissa, A.Q., Roudier, S. und Delgado Sancho, L.: Merkblatt über die Besten Verfügbaren Techniken (BVT) bei der Glasherstellung Richtlinie über Industrieemissionen 2010/75/EU. Seville (Spanien) European Commission, Joint Research Center, Institute for prospective technological studies (2013) S. 85-87.
[6] Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung: GESTIS-Stoffdatenbank [Online]. Available: http://gestis.itrust.de/. [Zugriff am 10 01 2020].
[7] Janssens, T. V. W., Falsig, H., Lundegaard, L. F., Vennestrøm, P. N. R. , Rasmussen, S. B. , Moses, P. G. , Giordanino, F., Borfecchia, E., Lomachenko, K. A., Lamberti, C.,  Bordiga, S., Godiksen, A., Mossin, S. und Beato, P.: A consistent reaction scheme for the selective catalytic reduction of nitrogen oxides with ammonia. ACS Catal.Nr. 5 (2015) S. 2832-2845.