Weiterentwick­lung der PartikelGitter­NetzSonde

Titel:
Untersuchung von Möglichkeiten zur Weiterentwicklung der Methode der PartikelGitterNetzSonde (PGNS) für den Einsatz im niedrigen Temperaturbereich bei Abgasreinigungsverfahren

Bearbeiter:
Dipl.-Ing. Martin Köhler

Laufzeit:
11/2016 – 05/2020

Förderinstitution:
Deutsche Bundesstiftung Umwelt

Projektpartner:
CheMin GmbH, Forschungsgemeinschaft Kalk & Mörtel e.V.

Hintergrund und Motivation:

Partikel bzw. ablaufende Phänomene an Partikeln sind auch außerhalb von Filteranlagen bei der Abgasreinigung von entscheidender Bedeutung. Bedingt durch immer höhere Umweltauflagen müssen die Abscheideleistungen von Abgasreinigungsanlagen in Kraftwerken verbessert werden. Dies kann im Falle der Reduzierung von Stickoxiden und dem damit einhergehenden Überschuss an zugeführtem Ammoniak zur Bildung von hygroskopischen Salzen in der SCNR / SCR nachgeschalteten Anlagenteilen, wie Filtern, Wärmeübertragern, Katalysatoren u.ä., führen. Vermehrt auftretende Störungen und Korrosion durch Partikelverklebungen sind die Folge.

Ein weiteres Beispiel findet sich bei der Optimierung des Additiveinsatzes bei Abgasreinigungsanlagen. So wird Kalkhydrat bei der konditionierten Trockensorption als Absorptionsmittel der sauren Bestandteile von Abgas aus Müllheizkraftwerken und Kraftwerken mit EBS- oder Biomassefeuerung eingesetzt (Abbildung 1). Die dabei im/am Kalkhydratpartikel ablaufenden Reaktionen innerhalb des Flugstroms zwischen Eindüsung und Filter sowie am Filter selbst, stellen die wichtigste Optimierungsgrundlage dar.

Da sich die Partikel über die Entnahmezeit von z.B. Partikelimpaktoren verändern können, ist eine Methode zu entwickeln, die eine Momentaufnahme der Partikel zur Verfügung stellt. Mit der Methode der PartikelGitterNetzSonde (PGNS) steht diese prinzipiell zur Verfügung (Abbildung 2). Da sie sich jedoch bislang nahezu ausschließlich im heißen Teil eines Kraftwerks bewährt hat, muss sie an die neuen Bedingungen angepasst und um eine Probenkonservierung zur Unterbrechung der ablaufenden Reaktionen erweitert werden. Analyse- und Konservierungsmethoden für Proben die während der konditionierten Trockensorption anfallen, wurden anhand von Reinstoffen und Reinstoffmischungen in Laborversuchen auf ihre Tauglichkeit hin untersucht. Diese Untersuchungen waren Teil des abgeschlossenen Vorprojektes, dessen Abschlussbericht von der DBU unter folgendem Link bezogen werden kann.

https://www.dbu.de/projekt_33004/01_db_2409.html

Im weiteren Projektverlauf wird die Tauglichkeit der weiterentwickelten Methode durch umfangreiche Feldtests an Rauchgasreinigungsanlagen untersucht. Die Forschungsaufgabe besteht hierbei in der Optimierung der Chloreinbindung bei der konditionierten Trockensorption durch eine von der Verweilzeit abhängige Analyse der eingedüsten Kalkhydratpartikel. Einflussfaktoren sind in diesem Prozess neben dem verwendeten Kalkhydrat, die Rauchgastemperatur und Rauchgasfeuchte.

Daraus ergeben sich folgende Projektziele:

• Identifizierung dominant ablaufender Reaktionen während der Chloreinbindung
• Optimierung bestehender Abgasreinigungsanlagen hinsichtlich der Chloreinbindung zur Senkung des Additivbedarfs
• Definition umweltrelevanter Betriebsparameter durch Provokationsfahrten mit erhöhtem Chlorgehalt

Aus den bisherigen Untersuchungen im Rahmen des Hauptprojektes liegen folgende Erkenntnisse vor:

• Die Partikelmorphologie ist stark abhängig von der Prozesstemperatur und der Verfahrenstechnik an sich. Rauchgasreinigungen mit intensiver partieller Addditiv-Rezirkulation zeigen deutlich kleinere Partikel als Prozesse ohne Rezirkulation.
• Durch die Häufung von Partikeln kleiner 2 µm auf den Gitternetzen ist eine Auflösung von unreagiertem Partikelkern und dem zugehörigen Reaktionssaum bei der REM-EDS-Analyse nicht mehr möglich (vgl. Abbildung 3). Es wurde daher eine Auswertungsstrategie entwickelt, in welcher Hauptkomponentendiagramme (Abbildung 4) und binäre Verteilungsdiagramme (Abbildung 5) abgeleitet werden, um eine Aussage über den Reaktionsverlauf zu bekommen.
• Die Beprobung verschiedener Rauchgasreinigungen hat dabei ergeben, dass bei Reaktionsbeginn Ca(OH)Cl die wesentliche Calcium-Chlor-Spezies ist. Bei Reaktionsende liegt dominant CaCl₂×xH₂O vor. Dies bestätigt die Literatur, in der Ca(OH)Cl als Zwischenprodukt auf dem Weg zum CaCl₂×xH₂O angesehen wird.
• In den kinetischen Modellen ist dies bislang nicht berücksichtigt. Ziel kann es jetzt also sein ein Modell zu entwickeln, dass die Folgereaktion berücksichtigt. Mit der im Forschungsprojekt entwickelten Methodik steht ein Werkzeug zur Verfügung um diese Modelle am realen Prozess zu validieren.

 Abb. 1: Schematische Darstellung der konditionierten Trockensorption

Abb. 2: Aufbau der PGNS und Partikelcharakterisierung mittels anschließender REM-EDX-Analyse
 

Abb. 3: Beispielhafte Elementarverteilung
 

Abb. 4: Hauptkomponentendiagramm für die Analyse der Rauchgasreinigung eines Biomasse-HKW

Abb. 5: Binäre Verteilungsdiagramme des obigen Hauptkomponentendiagrammes

Veröffentlichungen und Vorträge:

• Köhler, M., Ohle, A.; Beckmann, M.; Kaiser, M.; Spiegel, W.; Hammerschmidt, S.: Vergleich unterschiedlicher Kalkhydrate für die konditionierte Trockensorption anhand von Partikelanalysen im Realbetrieb, VGB Thermische Abfallbehandlung und Wirbelschichtfeuerung, Hamburg, 13.03.-14.03.2019
• Köhler, M.; Ohle, A.; Bernhardt, D.; Gebauer, K.; Beckmann, M.; Kaiser M.; Spiegel, W.: Survey on Methodes for Analysis and Conservation of Hydrated Lime Particles Sampled in Flue Gas Cleaning Systems. In: Ind. Eng. Chem. Res. 2018, 57, 14854-14860.
• Köhler, M., Ohle, A.; Beckmann, M.; Kaiser, M.; Spiegel, W.: Challanges of Using the Particle Wire Mesh Probe in Flue Gas Cleaning Systems. VGB Flue Gas Cleaning, Hamburg, 16.05.-17.05.2018
• Ohle, A.; Köhler, M., Beckmann, M.; Kaiser, M.; Spiegel, W.: Untersuchung der Chloreinbindung bei der trockensorptiven Rauchgasreinigung. DECHEMA-Jahrestagung Gasreinigung, Erlangen, 19.02.-20.02.2018
• Köhler, M.; Ohle, A.; Beckmann, M.; Kaiser, M.; Spiegel, W.: Adaption der Methode der PartikelGitterNetzSonde (PGNS) für den Einsatz im Abgasstrang. In: Beckmann, M.; Hurtado, A. (Hrsg.): Kraftwerkstechnik 2017 - Strategien, Anlagentechnik und Betrieb, Freiberg: SAXONIA Standortentwicklungs- und -verwaltungsgesellschaft mbH, 2017, S. 343-356. ISBN 978-3-934409-79-8.