Warum die Ammoniak-Entschwefelung auch für schwefelarmen Kohle geeignet ist

Lange Zeit herrschte in der Entschwefelung von Kraftwerken eine einfache Annahme: Kohle mit hohem Schwefelgehalt erfordert eine ammoniakbasierte Technologie, während Kohle mit niedrigem Schwefelgehalt wirtschaftlich mit einer calciumbasierten Entschwefelung behandelt werden kann.

Diese Annahme lässt sich zunehmend schwerer rechtfertigen.

Angesichts strengerer Emissionsanforderungen, verschärfter Regelungen für die Feststoffabfallbewirtschaftung und wachsender Aufmerksamkeit für die Kosten von Kohlenstoffemissionen betrachten Kraftwerke nicht mehr nur, ob ihr bestehendes System die aktuellen Emissionsgrenzwerte einhalten kann. Sie fragen sich zudem, ob es auch in den kommenden Jahren wirtschaftlich und betrieblich nachhaltig bleibt.

Genau hier verdient die Ammoniakentschwefelung eine genauere Betrachtung.

Warum kann die Ammoniakentschwefelung verschiedene Kohlesorten verarbeiten?

Die Anpassungsfähigkeit der Ammoniakentschwefelung beruht weitgehend auf ihrem Reaktionsmechanismus.

Die traditionelle Kalzium-Entschwefelung umfasst Gas-Fest-Flüssig-Reaktionen. Die Lösungsrate von Kalkstein sowie die Effizienz des Stofftransfers können den gesamten Reaktionsprozess beeinflussen. Mit steigenden Schwefeldioxid-Konzentrationen kann das System höhere Schlammumlaufgeschwindigkeiten und anspruchsvollere Betriebsbedingungen erfordern.

Die Ammoniak-Entschwefelung ist dagegen vorwiegend eine Gas-Flüssig-Reaktion. Schwefeldioxid löst sich leicht und reagiert rasch mit Ammoniak, wodurch der Absorptionsprozess effizient ablaufen kann, ohne an die gleichen Geschwindigkeitsbegrenzungen gebunden zu sein wie kalksteinbasierte Systeme.

Dies macht die Ammoniak-basierte Technologie für eine breite Palette von Kohlesorten geeignet.

In der Praxis können fortschrittliche Ammoniak-Entschwefelungssysteme bei kohlenstoffarmen, mittelschwefelhaltigen und schwefelreichen Kohlesorten Entschwefelungswirkungsgrade von über 95 % erreichen. Ammoniak-Rückgewinnungsraten von 97 % oder mehr tragen zudem zur wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit des Systems bei.

Bei Anlagen, bei denen sich die Kohlequalität im Laufe der Zeit ändert, kann diese Flexibilität besonders wertvoll sein. Die Anlage muss ihre grundlegende Entschwefelungsstrategie nicht jedes Mal neu konzipieren, wenn sich der Schwefelgehalt des Brennstoffs ändert.

Kohle mit niedrigem Schwefelgehalt erfordert dennoch eine Gesamtkostenberechnung

Ein verbreitetes Argument ist einfach: Wenn Kohle mit niedrigem Schwefelgehalt bereits relativ geringe SO₂-Emissionen erzeugt und ein calciumbasiertes System die geltenden Grenzwerte einhalten kann, warum dann den Prozess ändern?

Die Antwort liegt in den gesamten Betriebskosten und nicht allein in der Schwefelkonzentration.

1. Die Entsorgung von Gips bleibt eine Betriebskostenposition

Calciumbasierte Entschwefelung erzeugt Gips als Nebenprodukt. Eine Anlage, die Kohle mit niedrigem Schwefelgehalt verbrennt, erzeugt möglicherweise weniger Gips als eine Anlage, die Kohle mit hohem Schwefelgehalt verbrennt; die damit verbundenen Anforderungen an Handhabung, Lagerung, Transport und Entsorgung entfallen jedoch nicht.

Wenn die Anforderungen an das Management fester Abfälle strenger werden, verdienen diese Kosten Berücksichtigung bei jeder langfristigen Bewertung eines Rauchgasentschwefelungssystems.

2. Kohlenstoffkosten hängen nicht allein von der Kohlesorte ab

Ein weiterer Aspekt ist die Kohlenstoffwirkung, die mit der calciumbasierten Entschwefelung verbunden ist.

Gemäß der für diesen Prozess beschriebenen chemischen Stöchiometrie setzt die Absorption einer Tonne SO₂ etwa 0,75 Tonnen CO₂ frei. Dieser Zusammenhang ist durch die Reaktion selbst bedingt und nicht davon abhängig, ob das Kraftwerk Kohle mit hohem oder niedrigem Schwefelgehalt verbrennt.

Mit der Entwicklung von Kohlenstoffmärkten können die wirtschaftlichen Auswirkungen dieser Emissionen für Kraftwerksbetreiber zunehmend relevant werden.

3. Die Wirtschaftlichkeit der Nebenprodukte kann die Bilanz verändern

Bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung eines Entschwefelungssystems sollte auch berücksichtigt werden, was mit dessen Nebenprodukten geschieht.

Bei calciumbasierten Systemen stellt Gips im Allgemeinen ein Material dar, das verwaltet werden muss. Bei der Ammoniak-Entschwefelung kann Schwefel stattdessen in Form von Ammoniumsulfat zurückgewonnen werden.

Selbst wenn ein Kohlekraftwerk mit schwefelarmem Kohle nur eine relativ geringe Menge Ammoniumsulfat erzeugt, besitzt dieses Nebenprodukt potenziellen kommerziellen Wert. Dadurch ändert sich die Bewertung der betrieblichen Wirtschaftlichkeit des Systems.

Die Kohlequalität wird zunehmend unvorhersehbar

Die Beschaffung von Brennstoff ist ein weiterer Grund, warum die Anpassungsfähigkeit an verschiedene Kohlesorten wichtig ist.

Viele Kraftwerke können über die gesamte Betriebslebensdauer der Anlage hinweg keine einheitliche, konstante Kohlequalität garantieren. Marktbedingungen, Lieferverfügbarkeit und Brennstoffkosten können zur Verwendung unterschiedlicher Kohlesorten oder gemischter Brennstoffe führen.

Ein Entschwefelungssystem muss daher Schwankungen der Eintritts-SO₂-Konzentration bewältigen, ohne den stabilen Betrieb zu beeinträchtigen.

Dies ist ein Bereich, in dem die Ammoniak-Entschwefelung betriebliche Flexibilität bieten kann.

Aufgrund seiner schnellen Reaktionskinetik kann die ammoniakbasierte Technologie effektiv auf Schwankungen der Schwefeldioxidkonzentration reagieren. Statt das System auf eine feste Kohlesorte auszulegen, erhalten Betreiber mehr Flexibilität bei der Auswahl und Mischung von Brennstoffen.

In diesem Sinne ist eine Umstellung von Calcium auf Ammoniak nicht bloß eine Prozessverbesserung. Sie kann einem Kraftwerk zudem mehr Flexibilität bei der künftigen Beschaffung von Brennstoffen verleihen.

Hat die Ammoniak-Entschwefelung wirklich die Kohlesorten-Grenze überschritten?

Die Vorstellung, dass die ammoniakbasierte Rauchgasreinigung nur für schwefelreiche Kohle geeignet sei, spiegelt nicht mehr die gesamte Bandbreite der Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie wider.

Die Ammoniak-Entschwefelung wurde unter verschiedenen Kohle- und Betriebsbedingungen eingesetzt – darunter Anlagen, die relativ schwefelreiche Brennstoffe nutzen, sowie Einrichtungen, die hauptsächlich mit schwefelarmer Kohle betrieben werden.

Für ein bestehendes Kraftwerk sollte die Entscheidung für ein ammoniakbasiertes FGD-System daher nicht allein auf dem Schwefelgehalt beruhen.

Eine umfassendere Bewertung sollte folgende Aspekte berücksichtigen:

• SO₂-Konzentration und ihre erwartete Schwankung

• Leistung des bestehenden FGD-Systems

• Gips-Erzeugung und Entsorgungsanforderungen

• Anforderungen an die Abwasserbehandlung

• Betriebskosten im Zusammenhang mit Kohlenstoff

• Ammoniakverbrauch und -rückgewinnung

• Nutzung von Nebenprodukten

• Zukünftige Flexibilität bei der Brennstoffbeschaffung

• Langfristige Einhaltung umweltrechtlicher Vorschriften

Calcium-zu-Ammoniak-Umwandlung: Mehr als nur ein Desulfurierungs-Upgrade

Für Anlagen, die derzeit calciumbasierte Entschwefelungssysteme betreiben, kann die Umstellung auf ammoniakbasierte Technologie als umfassenderes Optimierungsprojekt bewertet werden – nicht lediglich als Austausch eines Absorptionsmittels durch ein anderes.

Das Ziel besteht nicht nur darin, die erforderliche Schwefeldioxid-Entfernungseffizienz zu erreichen. Es geht auch darum, das Gesamtgleichgewicht zwischen Umweltleistung, Betriebskosten, Nebenprodukt-Management und zukünftiger Brennstoffflexibilität zu verbessern.

MingSheng Environmental Protection stützt sich auf jahrzehntelange Erfahrung im Bereich des chemischen Ingenieurwesens sowie auf sieben Generationen der technologischen Entwicklung im Bereich der ammoniakbasierten Rauchgasreinigung. Die Technologie wurde unter verschiedenen Kohlequalitätsbedingungen eingesetzt und gewährleistet eine stabile Entschwefelungsleistung sowie die Ammoniak-Rückgewinnung.

Der entscheidende Punkt ist einfach: der Schwefelgehalt der Kohle sollte nicht der einzige Faktor sein, anhand dessen bestimmt wird, ob eine Ammoniak-Entschwefelung geeignet ist.

Für heutige Kraftwerke stellt sich vielmehr die wichtigere Frage, ob das bestehende FGD-System weiterhin eine stabile Umweltleistung erbringen kann, während gleichzeitig die Gesamtbetriebskosten unter sich verändernden regulatorischen, CO2- und Brennstoffmarkt-Bedingungen kontrolliert werden.

Deshalb lenkt die Umwandlung von Calcium in Ammoniak die Aufmerksamkeit nicht nur von Kraftwerken mit hochschwefelhaltiger Kohle, sondern auch von Betreibern, die mittel- und schwefelarme Kohle verwenden.