CaADD - FG Kalk

CaADD: Untersuchung zur Additivierung kalkstämmiger Sorbentien zur Optimierung der SO₂-Abscheidung in HCl-armen Abgasen(2023-2025):

Forschungspartner:

TU Dresden - Professur für Energieverfahrenstechnik (EVT)
RWTH Aachen - Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe (TEER)
RWTH Aachen - Lehrstuhl für Technische Thermodynamik (LTT)

Ansprechpartnerin:

Marlena Wissel

Bereits Anfang März startete das AiF-Projekt „Untersuchung zur Additivierung kalkstämmiger Sorbentien zur Optimierung der SO₂-Abscheidung in HCl-armen Abgasen“.

Rauchgasreinigungsanlagen in Müllheizkraftwerken, konventionellen Kraftwerken und anderen Verbrennungsanlagen, wie Biomasse-Heizkraftwerken, nutzen nach dem Stand der Technik kalkstämmige Sorbentien zur Abscheidung saurer Rauchgaskomponenten. Die konditionierte Trockensorption ist dabei das etablierteste Verfahren: Kalkhydrat wird als Sorbens in Flugstrom-, Umlenk- oder Wirbelschichtreaktoren eingebracht, zuvor wird das Rauchgas auf eine definierte Feuchte und Temperatur vorkonditioniert. Die Konditionierung beschleunigt die ablaufenden Stofftransport- und Reaktionsvorgänge. Signifikante Einschränkungen des Verfahrens hinsichtlich der Anwendbarkeit zeigen sich bei geringen Rauchgasfeuchten, Temperaturen oberhalb von 200 °C, sowie einem molaren Chlor-Schwefel-Verhältnis im Rauchgas kleiner als 1,3. Die Verwendung von Kalkhydrat ist in Anlagen, in denen diese Bedingungen auftreten, beispielsweise Klärschlamm-Monoverbrennungsanlagen, nur bedingt einsetzbar.

Durch die Klärschlammverordnung ist festgelegt, dass eine Rückgewinnung des im Klärschlamm enthaltenen Phosphors stattfinden muss. Die Rückgewinnung kann direkt aus dem Klärschlamm erfolgen oder nach einer Verbrennung aus der Klärschlammasche. Eine effiziente Rückgewinnung erfordert hohe Phosphorgehalte in der Asche, diese können nur durch eine Monoverbrennung des Klärschlamms erreicht werden. Folglich ergibt sich deutschlandweit eine erhöhte Nachfrage für die Planung und den Bau solcher Anlagen und damit der Bedarf nach effizienten, wirtschaftlichen Verfahren zur Reinigung von Abgasen aus der Klärschlammverbrennung.

Abb.: Schematischer Aufbau der Raman in-situ Analytik sowie deren Integration an den vorhanden Wirbelschichtreaktor

Ziel des Projekts Ca-ADD ist die Optimierung der industriellen Rauchgasreinigung mittels kalkstämmiger Sorbentien durch den Einsatz von Additiven. Erste Untersuchungen haben gezeigt, dass Additive wie Flugstäube oder mineralische Substanzen die physikalische sowie chemische Wechselwirkung des Kalkhydrats und somit die Abscheidewirkung gegenüber SO₂ deutlich verbessern. Die systematische Untersuchung der am Kalkpartikel ablaufenden Reaktionen und der dominierenden Mechanismen für die Minderung saurer Rauchgaskomponenten, soll die gezielte Adaption von Verfahren auf Basis von Kalkhydrat an Anlagen mit ungünstigen Rauchgasbedingungen ermöglichen. Daraus ergibt sich ein positiver Nutzen für den Umweltschutz, da unter anderem das Potential zur Phosphorrückgewinnung unter Einhaltung hoher Standards in der Luftreinhaltung genutzt werden kann.

Die Arbeiten des TEER konzentrieren sich zunächst auf die Materialauswahl- und -charakterisierung geeigneter Stoffgruppen zur Additivierung des Kalkhydrats. Neben der Optimierung des Abscheidegrades sind vor allem ökonomische und ökologische Aspekte relevante Kriterien für die Auswahl der Additive, um eine spätere Anwendbarkeit der Forschungsergebnisse in der Praxis gewährleisten zu können. Im Technikum des TEER werden an einem Prüfstand im Labor-Maßstab synthetisch Rauchgase hergestellt und gezielt konditioniert. In experimentellen Versuchsreihen wird der Einfluss der ausgewählten Additive auf die Abscheidung mit Kalkhydrat in einem Wirbelschichtreaktor unter unterschiedlichen Randbedingungen untersucht. Mit dem Projektpartner LTT wird außerdem eine Versuchsmethodik etabliert, um mit Hilfe von Raman-Spektroskopie in-situ eine chemische Charakterisierung der Zwischenprodukte am Sorbenspartikel während des SO₂-Umsatzes durchzuführen, vgl. Abbildung 1. So können die bei der Abscheidung dominierenden Mechanismen identifiziert werden und grundlegende Erkenntnisse zur Optimierung der Sauergasreinigung mittels kalkstämmiger Sorbentien durch Additivierung gewonnen werden. An einer mit Klärschlamm betriebenen Versuchsanlage im technischen Maßstab (Wirbelfeuerung) wird das optimierte Verfahren in kontinuierlichen Versuchen unter praxisnahen Bedingungen getestet.

Das AiF e. V.-Projekt Ca-ADD (22821 BG) wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) über das Programm der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) für zwei Jahre gefördert.