Abgasreinigung in der Industrie

Die Hauptschadstoffe im Abgas eines Kraftwerkes sind Kohlenstoffdioxid (CO₂), Schwefeldioxid (SO₂), Stickoxide (NO_x) und Staub. Diese Emissionen belasten die Umwelt, da sie in die natürlichen Stoffkreisläufe eingetragen werden und deren Gleichgewichte beeinflussen. Die globalen Auswirkungen dieser Veränderungen auf unseren Lebensraum sind vielseitig und können nicht mit Sicherheit vorausgesagt werden. Eine steigende globale Erwärmung (antropogener Treibhauseffekt), das Abschmelzen der Polkappen und Gletscher und die Übersäuerung der Gewässer durch den Sauren Regen und die erhöhte CO₂-Konzentration der in Luft sind einige Beispiele an denen Veränderungen deutlich werden, deren Auswirkungen auf unser Ökosystem wir nur schwer abschätzen können.

Inzwischen gibt es in vielen Ländern gesetzliche Vorgaben über zulässige Höchstmengen an Schadstoffen im Rauchgas. In Deutschland gelten für große Kraftwerke mit über 300 MW Leistung u. a. die folgenden Abgasgrenzwerte:

Staub: unter 50 mg/m${}^3$
SO₂: unter 400 mg/m${}^3$
NO_x: unter 200 mg/m${}^3$

Vergleicht man diese Vorgaben mit den Ausgangswerten im industriellen Rauchgas so erfordert das Mindestabscheidungsgrade von ca. 99,9 % bei Staub, 80 % bei SO₂ und 80 % bei den Stickoxiden.

Als Beispiel eine typische Zusammensetzung des Rauchgases eines Kohlekraftwerks:
78 % N₂, 16% CO₂, 0,1 % SO₂ (2 000 mg/m${}^3$), 0,05-0,1 % NO_x (800-1 500 mg/m${}^3$) und 6 000-50 000 mg/m${}^3$ Staub.

Die Rauchgasreinigung

in Kraftwerken

Zur Reinigung des Rauchgases wurden spezielle Anlagen entwickelt, die die einzelnen Schadstoffe nacheinander aus dem Abgas entfernen.

Meist werden zuerst die Stickoxide in der DENOX Anlage entfernt. An einem Katalysator werden sie mit dosiertem Zusatz von Ammoniak umgesetzt. Dabei entstehen Stickstoff und Wasserdampf nach folgenden Reaktionsgleichungen:

$\begin{array}{l}{\text{6 NO + 4 NH}}_{\text{3}}\to {\text{5 N}}_{\text{2}}{\text{+ 6 H}}_{\text{2}}\text{O}\\ {\text{6 NO}}_{\text{2}}{\text{+ 8 NH}}_{\text{3}}\to {\text{7 N}}_{\text{2}}{\text{+ 12 H}}_{\text{2}}\text{O}\end{array}$

Dann wird das Gas in einem Elektrofilter, das mit 50-80 kV arbeitet, entstaubt. Dabei werden die Staubteilchen negativ aufgeladen und scheiden sich an der positiven Filterwand ab.

Der letzte Schritt erfolgt in der sogenannten Rauchgasentschwefelungsanlage (REA). Dort wird das SO${}_2$ weitestgehend entfernt. Dafür gibt es verschiedene Varianten. In den meisten Fällen sprüht man eine wässrige Suspension von fein gemahlenem Kalkstein (CaCO${}_3$) in das Rauchgas ein. Dabei entsteht aus SO${}_2$, CaCO${}_3$, Wasser und dem Sauerstoff der eingeblasenen Luft Gips (Calciumsulfat-Dihydrat), der in der Baustoffindustrie weiterverwendet werden kann.

${\text{2 SO}}_{\text{2}}{\text{+ 2 CaCO}}_{\text{3}}{\text{+ O}}_{\text{2}}{\text{+ 4 H}}_{\text{2}}\text{O}\to {\text{2 CaSO}}_{\text{4}}\cdot {\text{2 H}}_{\text{2}}{\text{O + 2 CO}}_{\text{2}}$

Abgasreinigung bei der Schwefelsäure Herstellung

Das Abgas bei der industriellen Schwefelsäureproduktion (Kontaktverfahren) enthält noch 0,05-0,2% nicht umgesätzes SO${}_2$. Eine Schwefelsäureanlage mit einer Tagesproduktion von 1000 Tonnen würde demzufolge bis zu knapp 20 Tonnen SO${}_2$ täglich in die Atmosphäre emittieren. Zur Reinigung dieses Abgases wurde ein spezielles Verfahren entwickelt, das es möglich macht, das aus dem Abgas entfernte SO${}_2$ zurückzugewinnen um es erneut in den Reaktor einzuspeisen. Dazu nutzt man die folgende Gleichgewichtsreaktion aus:

$\begin{array}{l}Absorption,Raumtemperatur\\ S{O}_2+S{O}_3{}^{2-}+H_{2}O\rightleftharpoons 2HS{O}_3{}^{-}\\ Desorption,ca.100°C\end{array}$

Schwefeldioxid wird aus dem Abgas mit einer Natriumsulfit - Lösung bei Raumtemperatur im Absorber unter Bildung von Natriumhydrogensulfit ausgewaschen. Diese Lösung wird dann in einem zweiten Reaktor, dem Desorber, erhitzt. Das Gleichgewicht verschiebt sich dabei auf die Seite des Sulfits. Die Sulfitlösung wird nach Abkühlen wieder im Kreislauf in den Absorber gepumpt, das ausgetriebene Schwefeldioxid wird in die Schwefelsäureanlage zurückgeführt. Über den Umweg der Abgasreinigung wird das Schwefeldioxid aus dem Abgas dem Kontaktofen wieder zugeführt und so vollständig umgesetzt.

Abscheidung von Kohlenstoffdioxid aus Kraftwerks-Rauchgasen

Zur Reduzierung der Kohlenstoffdioxid-Emissionen wird erwogen, dieses aus dem Rauchgas der Kraftwerke auszuwaschen und beispielsweise dann in unterirdische Lagerstätten dauerhaft einzulagern (sogenannte CCS-Technik = carbon capture and storage). Bei den bestehenden Kraftwerken, in denen der Brennstoff mit Luft verbrannt wird, sind aber nur 15-20 % CO₂ im Rauchgas enthalten. Durch den hohen Gehalt an Stickstoff von knapp 80 % ist die Gasmenge viel zu hoch.
Daher wird die Kohle mit reinem Sauerstoff verbrannt und zur Verminderung der Flammentemperatur wird das entstandene Kohlenstoffdioxid teilweise in den Brenner zurückgeführt.
Die Firma Vattenfall erprobt derzeit diese Technologie in einer kleinen Anlage. Aber viele Fragen sind noch offen:

• Das Kohlenstoffdioxid wird nicht vollständig abgeschieden, der Abscheidungsgrad liegt bei 90-95 %. Wegen der großen Rauchgasmenge ist der Wäscher aber etwa so groß wie das Kraftwerk selbst.
• Der Wirkungsgrad des Kraftwerks geht um 10-15 % zurück.
• Es ergibt sich ein Brennstoffmehrbedarf von 20-40 %
• Das Langzeitverhalten des eingelagerten CO₂ in der Erde, ob in tiefen Salzwasserschichten oder ehemaligen Erdgaslagerstätten ist weitgehend unklar.
• Es entstehen erhebliche Kosten von ca. 30-50 € je Tonne Kohlenstoffdioxid für Abscheidung, Transport und Einlagerung.

Es bestehen somit erhebliche Zweifel, ob diese Technologie eine sinnvolle Maßnahme zur Reduktion der Kohlenstoffdioxid-Emission darstellt.