Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rauchgasentschwefelung in Verbrennungskraftwerken, wobei Brennstoff mit einem zugesetzten Additiv unter Zuführung von Verbrennungsluft verbrannt wird.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsanlage eines Kohlekraftwerks mit Schmelzkammerfeuerung, wobei Kohle unter Zuführung von Verbrennungsluft in einer Brennkammer verbrannt wird.

Aus Gründen des Umweltschutzes ist es bei Verbrennungskraftwerken heutzutage üblich, Maßnahmen zur Rauchgasentschwefelung zu treffen. Bei dem sogenannten Additiv-Verfahren, das auch als Direktentschwefelung bezeichnet wird, wird zusätzlich zum Brennstoff trockener Kalk oder Kalksteinmehl in den Feuerungsraum des Kessels des Verbrennungskraftwerkes geblasen. Die Zugabe des Additivs kann entweder bereits vor der Einbringung in den Feuerungsraum durch Beimengung zum Brennstoff oder durch gemeinsames Eindüsen mit der Verbrennungsluft in den Feuerungsraum erfolgen. Möglich ist auch die Einbringung des Additivs in den bereits entstandenen Rauchgasstrom nach der Verbrennung des Brennstoffes. In Wirbelschichtfeuerungen von Kohlekraftwerken wird gemahlene Feinkohle mit Kalkstein auf ein im Feuerungsraum befindliches Rost aufgegeben. Das Gemisch wird durch die Verbrennungsluft, die von unten das Rost durchströmt, verwirbelt und dabei verbrannt. Bei der Verbrennung wird der Kalkstein kalziniert. Es entsteht Kalk (CaO). Beim Entschwefelungsvorgang reagiert ein Großteil des in dem bei der Verbrennung entstehenden Rauchgas vorhandenen Schwefeldioxids mit dem Kalk, wird gebunden und in Gips (CaSO₄) umgewandelt.

Beim Altpapier-Recycling entsteht Papierschlamm, der zu etwa 40 bis 50 % aus organischen und zu 50 bis 60 % aus anorganischen Verbindungen besteht. Der anorganische Bestandteil enthält vor allem Kalziumkarbonat und Aluminiumoxid. Bei der Veräscherung von Papierschlamm bei hohen Temperaturen von über 800°C werden die organischen Verbindung vollständig verbrannt und liefern dabei einen positiven Beitrag zu der Wärmebilanz bei der Herstellung von Papierschlammasche. Des weiteren wird das im Papierschlamm vorhandene Kalziumkarbonat in Kalk (CaO) umgesetzt.

Jährlich fallen beim Altpapier-Recycling allein in Deutschland mehrere 10.000 Tonnen Papierschlamm an. Es ist üblich, die als Reststoff nach der Veräscherung übrig bleibende Papierschlammasche keiner weiteren Verwendung zuzuführen und stattdessen durch Verbringung auf Abfalldeponien zu entsorgen.

Ein weiterer mineralstoffreicher Abfallstoff, der in großen Mengen anfällt, ist Asche aus der Verbrennung von Teppichboden-Abfällen. Teppichböden bestehen üblichennreise aus einer oberen Schicht aus natürlichen oder synthetischen Fasern oder Gewebe, welche mit einer auf dem Fußboden aufliegenden Unterschicht fest verbunden ist. Häufig ist die Unterschicht aus einem Latexpolymer-Material hergestellt, in welchem größere Mengen von Füllstoffen enthalten sind. Die Füllstoffe dienen dazu, das Eigengewicht der Unterschicht zu erhöhen, damit der Teppichboden besser verlegbar ist. Es werden als Füllstoffe hauptsächlich Kalksteinmehl, aber auch Ton oder Quarz verwendet. Diese anorganischen Inhaltsstoffe führen dazu, daß bei der Verbrennung von Teppichboden-Abfällen sehr mineralstoffreiche Asche anfällt, die insbesondere Kalk (CaO) enthält.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, umweltverträgliche Verwendungsmöglichkeiten von Papierschlammasche, der Asche aus der Verbrennung von Teppichboden-Abfällen und vergleichbaren Abfallstoffen, die einen hohen Anteil technisch verwertbarer Mineralstoffe aufweisen, bereitzustellen.

Diese Aufgabenstellung wird ausgehend von einem Verfahren zur Rauchgasentschwefelung in Verbrennungskraftwerken der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß es sich bei dem Additiv um eine Verbrennungsasche handelt, die wenigstens 30 Gew.-% Kalk (CaO) enthält. Geeignete Verbrennungsaschen sind insbesondere die als Reststoff beim Altpapier-Recycling anfallende Papierschlammasche sowie die Asche aus der Verbrennung von Teppichboden-Abfällen.

Aufgrund des hohen Kalkgehaltes können diese Verbrennungsaschen als Ersatz für Kalksteinmehl bei dem oben beschriebenen Additiv-Verfahren für die Rauchgasentschwefelung direkt eingesetzt werden. Die Erfindung zeigt somit eine sinnvolle Verwendung für diese Materialien in Verbrennungskraftwerken auf. Eine kostenintensive und die Umwelt belastende Entsorgung der Verbrennungsaschen wird vermieden und es werden gleichzeitig natürliche Ressourcen geschont, da die Ausbeutung von natürlichen Kalksteinvorkommen für die Rauchgasentschwefelung gemäß der Erfindung weitgehend überflüssig wird.

Besonders vorteilhaft ist, daß in den Verbrennungsaschen der Kalk bereits in kalzinierter Form vorliegt und direkt mit dem im Rauchgas vorhandenen Schwefeldioxid reagieren kann. Gegenüber der herkömmlichen Verwendung von Kalksteinmehl für die Rauchgasentschwefelung ergibt sich daraus eine Energieersparnis, da die für die Kalzinierung beim Verbrennungsvorgang aufzuwendende Energiemenge durch die erfindungsgemäße Verwendung von Verbrennungsasche als Zusatz zum Brennstoff nicht mehr aufgebracht werden muß. Ein größerer Teil der Verbrennungswärme steht für die Dampferzeugung zur Verfügung, so daß letztlich der Wirkungsgrad des Kraftwerks gesteigert wird. Vorteilhafterweise wird durch den Verzicht auf Kalksteinmehl außerdem die Menge des von dem Kraftwerk emittierten Kohlendioxids spürbar reduziert, da der Kalk in der Verbrennungsasche bereits in kalzinierter Form vorliegt.

Als weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verwendung von Papierschlamm- oder Teppichboden-Asche ist zu erwähnen, daß das bei der Rauchgasentschwefelung anfallende Kalziumsulfat sowie der überschüssige Kalk zusammen mit der übrigen Flugasche von den Filteranlagen (Elektrofilter oder Tuchfilter) des Verbrennungskraftwerks aufgefangen werden und einer weiteren Verwertung zugeführt werden können. Das aufgefangene Gemisch ist – anders als beispielsweise die übliche Steinkohleflugasche – aufgrund seiner Inhaltsstoffe reaktionsfähig und kann, etwa als Bindemittel, in der Baustoffindustrie eingesetzt werden.

Der erfindungsgemäße Einsatz der genannten Verbrennungsaschen für die Rauchgasentschwefelung ist ferner vorteilhaft, da diese Materialien üblicherweise weniger als 1 Gew.-% SO₃ enthalten. Ein hoher Sulfatgehalt des Additivs wäre im Hinblick auf die Effizienz der Entschwefelung kontraproduktiv.

Wenn die gemäß der Erfindung als Additiv eingesetzte Verbrennungsasche sehr feinkörnig vorliegt, kann das Problem bestehen, daß das Additiv von den Verbrennungsgasen mitgerissen wird und ungenutzt direkt in die Filter der Verbrennungsanlage des Kraftwerks gelangt. Dies kann sinnvoll dadurch verhindert werden, daß die dem Brennstoff zugesetzte Verbrennungsasche mit natürlichem Kalksteingrieß vermischt wird, der eine Körnung von 0,2 bis 1,0 Millimeter aufweist. Das Verhältnis von Verbrennungsasche zu Kalksteingrieß wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß der zuvor beschriebene direkte Transport der zugesetzten Verbrennungsasche in die Filter gerade verhindert wird. In der Praxis hat es sich als ausreichend erwiesen, wenn das dem Brennstoff zugesetzte Additiv aus bis zu 40 Gew.-% natürlichem Kalksteingrieß besteht. Bewährt hat sich eine Mischung aus ca. 30 Gew.-% natürlichem Kalksteingrieß mit ca. 70 Gew.-% Papierschlamm- oder Teppichboden-Asche.

Bei Kohlekraftwerken mit Schmelzkammerfeuerung liegt die Verbrennungstemperatur in der Brennkammer oberhalb der Schmelztemperatur der bei der Verbrennung entstehenden Asche. Die Schmelztemperatur der Asche hängt im wesentlichen von der Zusammensetzung der verbrannten Kohle ab und kann dementsprechend stark schwanken. Der überwiegende Teil der flüssigen Asche vereinigt sich zu einem Schmelzfluß am Boden der Brennkammer und wird über Auslaßöffnungen darunter befindlichen, sogenannten Naßentschlackern zugeführt. Es ist wichtig, im Bereich der Auslaßöftnungen Verkrustungen durch die abgeführte Schlacke zu vermeiden, damit sich diese nicht im Laufe der Zeit zusetzen. Außerdem ist zu beachten, daß für einen unter energetischen Gesichtspunkten effektiven Schmelzkammerbetrieb die Brennkammertemperatur und die Schmelztemperatur der Asche aufeinander abgestimmt sein müssen. Aus diesem Grund ist es üblich, bei Kohlekraftwerken mit Schmelzkammerfeuerung die Schmelztemperatur durch Zusatz von Kalksteinmehl zur Kohle zu regulieren (sog. Kohlekalkung).

Ausgehend von einem Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsanlage eines Kohlekraftwerks mit Schmelzkammerfeuerung der eingangs erwähnten Art, wird die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung, nämlich umweltverträgliche Verwendungsmöglichkeiten von Papierschlammasche, der Asche aus der Verbrennung von Teppichboden-Abfällen und vergleichbaren Abfallstoffen, die einen hohen Anteil technisch verwertbarer Mineralstoffe aufweisen, bereitzustellen, außerdem dadurch gelöst, daß die Schmelztemperatur der bei der Kohleverbrennung entstehenden Asche reguliert wird, indem mit der Kohle eine Verbrennungsasche in die Brennkammer eingebracht wird, die wenigstens 30 Gew.-% Kalk (CaO) enthält.

Gemäß der Erfindung kann vorteilhaft das üblichennreise zur Kohlekalkung eingesetzte Kalksteinmehl durch eine Verbrennungsasche, wie beispielsweise Papierschlamm- oder Teppichbodenasche, ersetzt werden. Die vorgeschlagene sinnvolle und ressourcenschonende Verwendung dieser Materialien beruht wiederum auf deren hohem Gehalt an Kalk. Aber auch die übrigen mineralischen Inhaltsstoffe der Verbrennungsaschen wirken sich positiv beim Einsatz in Verbrennungskraftwerkes aus, da dadurch eine weitere Schmelzpunkterniedrigung der beim Verbrennungsvorgang entstehenden Schlacke erzielt wird.

Besonders vorteilhaft ist ferner, daß die Papierschlamm- bzw. die Teppichbodenasche bis zu 10 Gew.-% Magnesiumoxid enthält. Bereits geringe Mengen von Magnesiumoxid reduzieren die Kristallisationstendenz der Schlacke, was vorteilhaft hinsichtlich der Vermeidung von Verkrustungen an den Auslaßöffnungen der Brennkammer ist.

Der TiO₂-Gehalt der gemäß der Erfindung verwendeten Verbrennungsaschen von bis zu 2 Gew.-% TiO₂ ist vorteilhaft, da durch TiO₂ der vollständige Ausbrand der Kohle verbessert wird, so daß der Kohledurchsatz erhöht und damit die Leistung des Kraftwerks gesteigert werden kann.

Es ist zweckmäßig, gemäß der Erfindung bis zu 5 Gew.-% Papierschlamm- oder Teppichboden-Asche bezogen auf die Kohlemenge als Additiv zuzusetzen. Es zeigt sich, daß sich durch die Zugabe von ca. 1 % Verbrennungsasche der Schmelzpunkt der Schlacke um jeweils ca. 50°C reduzieren lässt. Durch das Additiv werden allerdings die Qualität der beim Verbrennungsvorgang entstehenden Flugasche sowie auch die Qualität der Schlacke, die als Granulat beispielsweise im Straßenbau eingesetzt wird, negativ beeinflußt. Von daher ist dem Anteil des Additivs eine Obergrenze gesetzt.

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der folgenden Tabelle die chemische Zusammensetzung einer Papierschlammasche angegeben, welche sowohl für die Rauchgasentschwefelung als auch für die Regulierung der Schmelztemperatur gemäß der Erfindung eingesetzt werden kann.

In der folgenden Tabelle ist die beispielhafte Zusammensetzung einer für die erfindungsgemäßen Verwendungen einsetzbaren Teppichboden-Asche angegeben.