Technologie für die Emissionskontrolle Sprühtrockner-Absorber

Sprühtrockner-Absorber erleichtern die Abscheidung von sauren Schadstoffen, Schwermetallen und Staub aus Rauchgasen und Abgasen in Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen, Müllverbrennungsanlagen und Industrieinstallationen.

Der Sprühtrocknungs-Absorptions-Prozess ist ein Entschwefelungs- und Reinigungsprozess von halbtrockenem Rauchgas und unterstützt eine Reaktion, bei der gasförmige Schadstoffe (wie SO2, SO3, HCl, Hg und Dioxine) mithilfe eines Löschkalkabsorbens [Ca(OH)2in ein stabiles und trockenes pulverförmiges Produkt umgewandelt werden, das sich leicht lagern und transportieren lässt.

Vorteile

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Die Sprühtrocknungs-Absorption, eine einzigartige Sprühtrocknungstechnologie für die Absorption von Sauergas, wurde ursprünglich in den 70er-Jahren von GEA erfunden. Seit damals wurde sie kontinuierlich weiterentwickelt und optimiert, um den sich wandelnden Bedingungen und Vorschriften gerecht zu werden. Heute ist der Prozess effizient, vielseitig und wurde gründlichst geprüft. Jeder einzelne Sprühtrocknungs-Absorptions-Prozess wird speziell auf die jeweiligen Kundenbedürfnisse und geltenden Umweltschutzgesetze zugeschnitten. Die Absorber verfügen über bewährte Systemkomponenten, wie Spitzwertsteuerung und Aktivkohleeinspritzung, die speziell konzipiert wurden, um für niedrige Quecksilber- und Dioxinemissionen zu sorgen.

Vorteile
• Hohe Sauergasauswaschleistung
• Niedrige Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten
• Geringerer Energie- und Wasserverbrauch (Betrieb mit minderwertigem Wasser)
• Hohe Anlagenverfügbarkeit

Der Sprühtrocknungs-Absorptions-Prozess

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Beim Sprühtrocknungs-Absorptions-Prozess handelt sich um einen Entschwefelungsprozess von halbtrockenem Rauchgas, bei dem Löschkalk [Ca(OH)2] als Absorbens verwendet wird, um ein stabiles und trocknes Endprodukt zu erzeugen, das vorwiegend aus Flugasche und verschiedenen Kalziumverbindungen besteht.

Unbehandeltes heißes Rauchgas wird über einen Rauchgasdispergierer in den Sprühtrockner-Absorber geleitet und anschließend mit einem reaktionsfreudigen Absorbens in Kontakt gebracht, das durch einen Rotationszerstäuber zerstäubt wird. Durch den wirkungsvollen Kontakt zwischen Rauchgas und Absorbens kommt es zum raschen Übergang der sauren Komponenten vom Rauchgas in das alkalische Absorbens. Das Absorbens neutralisiert die absorbierte Säure: (SO2 + Ca(OH)2 -> CaSO3/CaSO4 + H2O). Während dieser Reaktion verdampft das enthaltene Wasser, wodurch ein trockenes Pulver entsteht. Ein Bruchteil des trockenen Pulvers lagert sich auf dem Boden der Absorberkammer ab und wird von dort abgelassen, während der Großteil zum nachgeschalteten Staubabscheider geleitet wird, während das gekühlte Rauchgas die Kammer verlässt. Das nun saubere Rauchgas passiert ohne erneute Erhitzung vom Staubabscheider zum Rauchfang.

 
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Das Ca(OH)2 wird entweder als Löschkalk erworben oder – was häufiger vorkommt und preiswerter ist – vor Ort aus gebranntem Kalk hergestellt und von einem Puffertank zum Rotationszerstäuber gepumpt. Nach der Separation wird das Pulver entweder zu einer Endproduktlageranlage geleitet oder während des Prozesses recycelt, um die Nutzung von überschüssigem Absorbens zu verbessern. Das Endprodukt des Prozesses ist ein stabiles trockenes Pulver. Dieses Pulver wird überall auf der Welt verwendet, vor allem im Straßenbau, als Gebäudebaustoff und für andere Anwendung im Bauwesen.

Die Sprühtrocknungs-Absorptions-Technologie bietet exzellente Absorptionsleistungen – und das nicht nur, was Hauptschadstoffe wie SO2 und HCl betrifft. Denn dank des fein zerstäubten Absorbens, das in den Rauchgasstrom gesprüht wird und der anschließenden Staubabscheidung werden auch Schadstoffe wie SO3, HF etc. nahezu vollständig entfernt. Auf diese Weise wird die Verwendung von unlegiertem Stahl innerhalb des Rauchgaswegs erleichtert. Außerdem bestehen noch zwei weitere Vorteile: Erstens erlaubt der Prozess die Verwendung von minderwertigem Prozesswasser, wie beispielsweise Abwasser oder auch Meerwasser, und zweitens ist keine anschließende Abwasserbehandlung oder -verarbeitung nötig, da der Prozess selbst kein Abwasser generiert.

Über 200 Referenzfälle
Weltweit wurden bereits über 200 Sprühtrockner-Absorber-Anlagen in Kraftwerken, Stahlwerken, Müllverbrennungsanlagen und Verbrennungsanlagen für Sondermüll installiert. Sie weisen alle ein gemeinsames Merkmal auf: Sie laufen gemäß der örtlich geltenden gesetzlichen Leistungsanforderungen oder sogar besser. Die allerersten, in 80er-Jahren installierten Anlagen laufen auch heute noch ordnungsgemäß und erfolgreich.

• Gesamtzahl errichteter Anlagen: >200
• Gesamtzahl an Absorbern: >350
• Gesamtzahl an Zerstäubern: >450
• In fast 25.000 MWe- und 4.300 MWt-Kraftwerken installierte Prozesse
• Weltweit in über 160 Verbrennungslinien installierte Prozesse
• Weltweit in über 10.000 m2 an Sinterbändern installierte Prozesse

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Das Herzstück des Sprühtrocknungs-Absorptions-Prozesses ist der Sprühtrockner-Absorber – bestehend aus Rotationszerstäuber, Gasdispergierer und Absorberkammer.

Seit der Konstruktion der ersten Sprühtrockner-Absorber wurden der Prozess und seine Hauptkomponenten kontinuierlich weiterentwickelt – und wir werden auch in Zukunft an ihrer Weiterentwicklung arbeiten.

Rotationszerstäuber

Hauptkomponenten SDA-Zerstäuberrad
Zerstäuberrad

Der Rotationszerstäuber ist die Schlüsselkomponente des Sprühtrockner-Absorbers. Diese Anlage sprüht die absorbierende Flüssigkeit in das Rauchgas. Dies geschieht praktisch, indem die absorbierende Flüssigkeit in das Zerstäuberrad geleitet wird, das mit ca. 10.000 Umdrehungen pro Minute rotiert. Das Zerstäuberrad zerlegt die Flüssigkeit in einen Sprühnebel aus feinsten Tropfen (kleiner als 50 Mikron) mit immens großen Oberflächen und schleudert diesen nach außen.

Für die in Sprühtrocknungs-Absorptions-Prozessen verwendeten Rotationszerstäuber (Typ F-100, F-360, F-800 und F-1000) kommen spezielle Edelstahltypen sowie abriebfeste Räder und Radeinsätze zur Anwendung. Die Zerstäuber wurden so modifiziert, dass sie harschen Umgebungen und abrasiven Absorbenzien widerstehen können.

Der Aufbau des Rotationszerstäubers besteht aus einem Ober- und einem Unterteil, die durch eine mittlere Trägerplatte getrennt werden. Im Oberteil befindet sich das Getriebe und das Schmiersystem sowie die obere Ölwanne. Betrieben wird der Zerstäuber durch einen über dem Getriebe angebrachten vertikalen Anbaumotor. Über eine flexible Kupplung wird die Motorenergie zur Eingangswelle des Getriebes übertragen. Das Unterteil des Zerstäubers, das den heißen Medien innerhalb der Absorberkammer ausgesetzt ist, besteht hauptsächlich aus einer flexiblen Spindel, Spindellagerungen, Zufuhr- und Spülleitungen, dem Flüssigkeitsverteiler und dem Zerstäuberrad. Sowohl die Zerstäuber- als auch die Zerstäuberradkomponenten werden aus Keramikmaterialien hergestellt, da diese eine hohe Abriebfestigkeit aufweisen. Da diese Bauteile hohem Verschleiß durch die Absorbenszuführung ausgesetzt sind, wurden sie austauschbar gestaltet.

Die Gasdispergierer

Gasdispergierer optimieren die Verteilung des Rauchgases in der Absorberkammer und ermöglichen den besten Kontakt zwischen Rauchgas und den zerstäubten Tröpfchen des Absorbens. Bei den Standardgasdispergierern vom Typ DGA handelt es sich um Deckengasdispergierer mit verstellbaren Leitschaufeln. Sie werden für Rauchgase mit nur geringen Anteilen an abrasiver oder klebriger Flugasche verwendet. Für Rauchgase mit höheren Konzentrationen an abrasiver Flugasche werden erosionsfeste Gasdispergierer des Typs DGR eingesetzt. Diese Art Gasdispergierer wird in zahlreichen Sprühtrockner-Absorbern in städtischen Müllverbrennungsanlagen verwendet.

Mischgasdispergierer kommen für Rauchgasvolumen ab 400.000 Nm3/h zum Einsatz. Bei ihnen wird das Gas in zwei Ströme getrennt, wobei 60 % durch den Deckengasdispergierer und das restliche Rauchgas durch einen zentralen Gasdispergierer geleitet werden. Dieser Aufbau wird häufig in Kraftwerken und Sinteranlagen eingesetzt. Die meisten Gasdispergierer werden aus Flussstahl hergestellt.

 

Die Kammer des Sprühtrockner-Absorbers

Die Sprühtrockner-Absorber-Kammer, eine zylinderförmige Konstruktion mit kegelförmiger Unterseite, wird in der Regel aus Flussstahl hergestellt. Das Rauchgas tritt über den/die Gasdispergierer in die Kammer ein und tritt durch einen Auslasskanal am kegelförmigen Boden aus. Der Rotationszerstäuber wird in der Mitte der Kammer installiert, eingekreist durch den Auslass des Deckengasdispergierers, damit das Gas sich mit dem zerstäubten Absorbens vermischen kann. Der mittlere Gasdispergierer wird direkt unter dem Zerstäuber angebracht, wodurch der Sprühnebel des Zerstäubers erhöht wird, was zu einem besseren Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit führt.

Die Größe der Kammer hängt von der Menge und den Eigenschaften des Rauchgases ab und ihre Form von der Art des verwendeten Gasdispergierers. Unten am Absorberkegel befindet sich ein Auslass für größere Partikel.

GEA entwickelt die Bauform und Größe der Sprühtrockner-Absorber-Kammer und des Gasdispergierers kontinuierlich weiter und optimiert sie ständig. Aktuell bieten wir Kapazitäten zur Behandlung von über 2.000.000 Nm3/h in nur einer einzigen Absorberkammer und wir arbeiten weiterhin am Entwurf von Sprühtrockner-Absorbern für noch höhere Gasmengen.

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Da ein erheblicher Teil der Kosten von Kraftwerken mit der Emissionskontrolle in Zusammenhang steht, federt die richtige Technik nicht nur die Umweltauswirkungen ab, sie erhöht auch die Wettbewerbsvorteile.

Der Sprühtrocknungs-Absorptions-Prozess stellt eine vielseitige Methode zur Reinigung von Rauchgasen dar, indem er ihm Sauergase und Partikel entzieht, die durch das Verbrennen fossiler Kraftstoffe (vorwiegend Kohle) entstehen. Aufgrund des Vorhandenseins großer Rauchgasmengen verfügen Kraftwerke häufig über mehr als ein Sprühtrockner-Absorber-Modul. Mischgasdispergierer gewährleisten einen optimalen Gasstrom – auch bei sehr großen Volumen. Die beträchtliche Anlagengröße und die großen Gasvolumen begünstigen in der Regel das Recyceln des Endprodukts, da sie den Betrieb bei niedrigen Auslasstemperaturen erlauben – nicht mehr als 10-15 °C über der adiabatischen Sättigungstemperatur.

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Das Endprodukt der Sprühtrocknungs-Absorption besteht aus den Reaktionsprodukten, dem überschüssigen Absorbens und der Flugasche. Das SO2-HCl-Verhältnis des einströmenden Gases ist hoch, wodurch ein Betrieb nahe an der adiabatischen Sättigungstemperatur möglich ist und der Kalkgehalt im Endprodukt minimiert wird. Durch ein Sprühtrocknungs-Absorptions-System können sehr hohe Entschwefelungsraten erzielt werden, die praktisch nur durch den akzeptablen Inhalt des überschüssigen Kalks im Endprodukt beschränkt werden.

Was die Menge und Zusammensetzung des Gases betrifft, laufen die normalen Abweichungen im Betrieb des vorgelagerten Rauchgasgenerators im Allgemeinen so reibungslos ab, dass die Steuerung der Auslasstemperaturen und Emissionen allein durch die Vermischung der Zuströme des Absorbens und des Recycelschlamms (oder Wassers) im darüber liegenden Hochbehälter erreicht wird. Das für Kraftwerke verwendete Absorbens wird vorwiegend käuflich erworben, als CaO gelagert und anschließend vor Ort gelöscht.

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Zur optimalen Gasstromverteilung wird das unbehandelte heiße Rauchgas über Gasdispergierer in das Sprühtrockner-Absorber-Modul geleitet, wobei der Kontakt mit dem Absorbens mithilfe des durch den Rotationszerstäuber erzeugten Sprühnebels erzielt wird. Der wirkungsvolle Kontakt zwischen Gas und zerstäubtem Absorbensschlamm ermöglicht den raschen Übergang der sauren Komponenten vom gasförmigen in den flüssigen Zustand.

Das alkalische Absorbens neutralisiert die absorbierte Säure und das gewünschte Reaktionsprodukt wird bei gleichzeitig stattfindender Wasserverdampfung erzeugt. Ein Bruchteil des trockenen Endprodukts lagert sich auf dem Boden der Absorberkammer ab und wird von dort abgelassen, während der Großteil mit dem abgekühlten Rauchgas zum nachgeschalteten Staubabscheider geleitet und dort vom Gas abgeschieden wird. Das nun gereinigte Gas passiert ohne erneutes Erhitzen durch den Staubabscheider zum Rauchfang.

Im Anschluss an die chemische Reaktion der Säurekomponentenabsorption und die darauf folgende Trocknungsphase wird das pulverförmige Endprodukt vom Gas abgeschieden und zu einem Endproduktlager transportiert bzw. im Sprühtrockner-Absorber-Prozess wiederverwendet, um die Nutzung des überschüssigen Absorbens zu verbessern. Ob die Sprühtrockner-Absorber-Anlage als Single-Pass-System angelegt wird und ob ein Recyclingsystem integriert wird, hängt von der Qualität des eingelassenen Gases und den Emissionsanforderungen ab.

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Die Sprühtrocknungs-Absorption ist die ideale Lösung zur Abscheidung von Staub und sauren Abgasen aus Sinteranlagen.

Beim Sprühtrocknungs-Absorption-Prozess handelt es sich um eine vielseitige Methode zur Reinigung von Rauch- und Abgasen durch die Abscheidung von sauren Gasen und Partikeln. Sprühtrocknungs-Absorptions-Installationen für Sinteranlagen kombinieren Merkmale von Kraftwerken und Abfallverbrennungsanlagen. Die Rauchgasvolumen sind in der Regel hoch, wodurch die Installation großer Absorbermodule nötig ist. Da der Säuregehalt häufig jedoch relativ gering ist, kommen Single-Pass-Systeme in Betracht.

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Variationen in der Gasqualität können relativ schnell vorkommen, wodurch das Kontrollsystem in der Lage sein muss, entsprechend zu handeln. Das für Sinteranlagen verwendete Absorbens wird vorwiegend käuflich erworben, als CaO gelagert und anschließend vor Ort gelöscht. Für Sinteranlagen werden in der Regel mit Edelstahlrädern und -hauptbauteilen ausgestattete Rotationszerstäuber des Typs F-360, F-800 oder F-1000 verwendet.

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Zur optimalen Gasstromverteilung wird das unbehandelte heiße Rauchgas über Gasdispergierer in das Sprühtrockner-Absorber-Modul geleitet, wobei der Kontakt mit dem Absorbens mithilfe des durch den Rotationszerstäuber erzeugten Sprühnebels erzielt wird. Der wirkungsvolle Kontakt zwischen Gas und zerstäubtem Absorbensschlamm ermöglicht den raschen Übergang der sauren Komponenten vom gasförmigen in den flüssigen Zustand.

 
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Das alkalische Absorbens neutralisiert die absorbierte Säure und das Reaktionsprodukt wird bei gleichzeitig stattfindender Wasserverdampfung erzeugt. Ein Bruchteil des trockenen Endprodukts lagert sich auf dem Boden der Absorberkammer ab und wird von dort abgelassen, während der Großteil mit dem abgekühlten Rauchgas zum nachgeschalteten Staubabscheider geleitet und dort vom Gas abgeschieden wird. Das gereinigte Gas passiert ohne erneutes Erhitzen durch den Staubabscheider zum Rauchfang.

Im Anschluss an die chemische Reaktion der Säurekomponentenabsorption und die darauf folgende Trocknungsphase wird das pulverförmige Endprodukt vom Gas abgeschieden und zu einem Endproduktlager transportiert bzw. im Sprühtrockner-Absorber-Prozess wiederverwendet, um die Nutzung des überschüssigen Absorbens zu verbessern. Ob die Anlage als Single-Pass-System angelegt wird und ob ein Recyclingsystem integriert wird, hängt von der Qualität des eingelassenen Gases und den Emissionsanforderungen ab.

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Bei der Sprühtrocknungs-Absorption handelt es sich um eine Methode, mit der auch die strengsten den Abfallverbrennungsanlagen auferlegten Emissionsvorschriften eingehalten werden können.

Anwendungen in Abfallverbrennungsanlagen zeichnen sich im Allgemeinen durch relativ geringe Gasmengen aus, weswegen die entsprechenden Absorber nur mit einem Deckengasdispergierer versehen werden. Aufgrund der kleineren Anlagengrößen und der Zusammensetzung des Säuregehalts werden in der Regel Single-Pass-Bauformen bevorzugt. Die für Abfallverbrennungsanlagen eingesetzten Rotationszerstäuber, üblicherweise des Typs F-100, sind mit Rädern aus Hastelloy ausgestattet.

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Der hohe HCl-Gehalt im Gas verursacht eine erheblich höhere Temperatur des eingelassenen Gases, als beispielsweise bei Kraftwerkanwendungen. Dementsprechend weist das Endprodukt ein anderes Verhalten auf. Außerdem ist der Feuchtigkeits- und Sauerstoffgehalt des Abgases höher. Durch die Trocknungseigenschaften des Absorbers, der hohe Chloridgehalt im Endprodukt, die Single-Pass-Anordnung etc. ist eine höhere Verweildauer in der Absorberkammer nötig, wodurch die Anlagen mit höheren Austrittstemperaturen betrieben werden.

Um die Fähigkeit des Sprühtrockner-Absorber-Systems zu verbessern, mit extremen Variationen der Einlassbedingungen umzugehen, kann ein Spitzwertsteuerungssystem integriert werden. Mit dieser Komponente wird ein trockenes Absorbens [pulverförmiges Ca(OH)2] direkt in den Rauchgasstrom geblasen. Außerdem kann ein auf der Einspritzung pulverförmiger Aktivkohle basierendes Adsorbentsystem verwendet werden, um vor allem die Quecksilber- und Dioxinemissionen effizient zu verringern. Als Absorbens kann in Abfallverbrennungsanlagen entweder CaO oder Ca(OH)2 verwendet werden – je nach Nahversorgungsbedingungen und Kosten.

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Zur optimalen Gasstromverteilung wird das unbehandelte heiße Rauchgas über den Deckengasdispergierer in das Sprühtrockner-Absorber-Modul geleitet, wobei der Kontakt mit dem Absorbens mithilfe des durch den Rotationszerstäuber erzeugten Sprühnebels erzielt wird. Der wirkungsvolle Kontakt zwischen Gas und zerstäubtem Absorbensschlamm ermöglicht den raschen Übergang der sauren Komponenten vom gasförmigen in den flüssigen Zustand.

Das alkalische Absorbens neutralisiert die absorbierte Säure und das gewünschte Reaktionsprodukt wird erzeugt. Während dieser Reaktion verdampft das enthaltene Wasser, wodurch ein trockenes Pulver entsteht. Ein Bruchteil des trockenen Pulvers lagert sich auf dem Boden der Absorberkammer ab und wird von dort abgelassen, während der Großteil zum nachgeschalteten Staubabscheider geleitet und vom Gas abgeschieden wird. Das gereinigte Gas passiert ohne erneutes Erhitzen durch den Staubabscheider zum Rauchfang.

Im Anschluss an die chemische Reaktion, durch die die Absorption der Säurekomponenten ausgelöst wird, und die darauf folgende Trocknungsphase wird das pulverförmige Endprodukt vom Gas abgeschieden und zu einem Endproduktlager transportiert. Zur effizienten Abscheidung von Dioxinen und Quecksilber aus dem Gas wird außerdem pulverförmige Aktivkohle in den Gasstrom eingespritzt. Das auf der Einspritzung von gelöschtem Kalk in den Gasstrom basierende Spitzwertsteuerungssystem kann für solche Anwendungen eingeplant werden, bei denen eine zügige Steuerung erheblicher Variationen der Zufuhrgasqualität erzielt werden soll. Die meisten Sprühtrockner-Absorber für Abfallverbrennungsanlagen werden als Single-Pass-Systeme angelegt.

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