VGB POWERTECH 10 (2020) - International Journal for Generation and Storage of Electricity and Heat

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Produktion und Verwendung von Nebenprodukten aus Kohlekraftwerken VGB PowerTech 10 l 2020 Produktion und Verwendung von Nebenprodukten aus Kohlekraftwerken Thomas Eck Abstract Production and utilisation of coal combustion products Coal combustion products are produced during the generation of electricity in coal fired power plants. In the last years more than 20 million tonnes per year were produced and utilised in Germany. CCPs like boiler slag, bottom ash, fly ash or FGD gypsum were used since many years as quality controlled raw material or building material in the construction industry or in civil engineering as well as for restoration and reclamation purposes in open cast mines. The power plant operators spent much effort in producing a quality material which can easily be utilized. This leads to high utilization rates of about 96 to 100 percent. This article gives an overview about the results of the VGB survey “Production and utilisation of CCPs in Germany” of the years 2008 to 2019. l Autor Dr.-Ing. Thomas Eck VGB PowerTech e.V. Essen, Deutschland Einleitung Bei der Verbrennung von Kohle in Kraftwerken entstehen mineralische Nebenprodukte, die seit Jahrzehnten als Roh- und Baustoffe in verschiedenen Industrien, vorrangig in der Bau industrie eingesetzt werden. Die Bauindustrie ist dabei mit einer Verwendung von mehr als der Hälfte der Nebenprodukte im Bauwesen sowie als Baustoff im Untertage- bzw. Tagebau der größte Abnehmer und Verwender der Nebenprodukte. Ein weiterer großer Anteil der Kraftwerksnebenprodukte wird im Rahmen von Verfüllungs- und Rekultivierungsmaßnahmen im Braunkohletagebau eingesetzt. 2019 wurden insgesamt mehr als 99 % der in Deutschland produzierten gut 16 Millionen Tonnen Kraftwerksnebenprodukte verwendet. Mit dieser Verwendungsrate wird das Verwertungsgebot des Bundes-Immissionsschutz gesetzes in hervorragender Weise umgesetzt. Um dieses Ergebnis zu erzielen waren und sind erhebliche Anstrengungen der Kraftwerksbetreiber erforderlich. Die qualitätsgesicherte Erzeugung der Kraftwerksnebenprodukte Schmelzkammergranulat, Kesselsand, Flugasche und REA-Gips unterliegt seit Jahren einer ständigen Eigen- und Fremdüberwachung. Es ist selbstverständlich, dass mit einer zielgesteuerten Produktion die Qualitätsanforderungen der weiterverarbeitenden Industrie erfüllt werden und dass dies unter Beachtung ökologischer Rahmenbedingungen geschieht. Der vorliegende Beitrag, der eine Fortschreibung des Beitrags von Puch und vom Berg [1] aus dem Jahre 1997 sowie Eck und Puch aus dem Jahre 2009 [2] darstellt, beschäftigt sich mit den Ergebnissen der jährlich durchgeführten Erhebung zur Produktion und Verwendung von Kraftwerksnebenprodukten der Jahre 2008 bis 2019. Verbrennungsprodukte aus Steinkohlekraftwerken Bei der Verbrennung von Steinkohle in Kraftwerken können abhängig vom eingesetzten Feuerungsprozess folgende mineralische Nebenprodukte, die mengenmäßig in Deutschland relevant sind, entstehen: –– Schmelzkammergranulat, –– Kesselsand, –– Flugasche, –– Wirbelschichtasche. Steinkohle wird in Deutschland überwiegend in Form von Kohlenstaub in Staubfeuerungen eingesetzt. Hierbei sind die Bauarten Schmelzkammerfeuerung und Trockenfeuerung zu unterscheiden. Der Anteil der Schmelzkammerfeuerungsanlagen, der 2007 noch bei ca. 28 % lag, ist dabei in den letzten Jahren kontinuierlich gesunken und ist in Deutschland mengenmäßig inzwischen ebenso wie die Wirbelschichtfeuerungen und Rostfeuerungen nur noch von untergeordneter Bedeutung. Schmelzkammerfeuerungen werden bei Feuerraumtemperaturen zwischen 1.600 und 1.700 °C betrieben. Ein Teil der schmelzflüssigen mineralischen Bestandteile der Kohle schmilzt im Feuerraum und fließt unter dem Kesselboden in ein Wasserbad, in dem es schockartig abgekühlt wird. Es erstarrt dadurch zum glasigen Schmelzkammergranulat. Ein Teil der Mineralpartikel wird mit dem Rauchgasstrom aus dem Feuerungsraum ausgetragen und in Elektrofiltern als Steinkohlenflugasche abgeschieden. Die Flugasche wird entweder in einem Silo gesammelt oder in die Feuerung zurückgeführt, wo sie wieder aufgeschmolzen wird. In Trockenfeuerungen betragen die Feuerraumtemperaturen 1.100 bis 1.300 °C. Bei diesen Temperaturen wird das Begleitgestein nicht vollständig aufgeschmolzen. Es wird über wiegend (etwa 85 bis 90 %) mit dem Rauchgasstrom geführt und ebenfalls im Elektrofilter aus diesem abgeschieden. Nur ein geringer Anteil der meist gröberen Partikel, der sich an den Feuerraumwandungen und Einbauten absetzt, sintert zusammen und fällt gegen den Rauchgasstrom zum Boden des Feuerraums, wo er über ein Wasserbad als Kesselsand abgezogen wird. Das Grundprinzip der Wirbelschichtfeuerungen besteht darin, dass der Brennstoff über einen Düsenboden mit definierter Luftzufuhr in einem wirbelnden Zustand gehalten wird. Aufgrund der Verfahrens- 40
VGB PowerTech 10 l 2020 Produktion und Verwendung von Nebenprodukten aus Kohlekraftwerken Tab. 1. Produktion und Verwendung von Nebenprodukten aus steinkohlebefeuerten Kraftwerken in den Jahren 2008 bis 2019, Mengenangaben in 1.000 t. 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 Erfasste Leistung in MW th 69.698 67.984 68.920 69.406 69.614 73.179 68.366 68.281 68.353 71.432 62.639 58.793 Verfeuerte Kohle in 1.000 t 45.571 43.497 44.174 43.808 44.338 45.757 40.632 40.081 38.496 34.289 32.236 22.687 Produzierte Mengen in 1.000 t Verwendungsrate in % Schmelzkammergranulat 1.356 1.190 1.001 862 926 905 749 614 490 340 260 150 Kesselsand 485 492 415 409 389 433 371 399 418 341 333 238 Flugasche ohne Additive 3.920 3.526 3.225 3.226 3.076 3.175 3.102 3.180 3.112 2.814 2.422 2.020 Wirbelschichtasche 318 251 252 293 288 325 305 300 280 265 259 166 Asche gesamt 6.082 5.463 4.895 4.793 4.681 4.840 4.528 4.496 4.300 3.760 3.274 2.574 Aschegehalt in % 13,3 12,6 11,1 10,9 10,6 10,6 11,2 11,2 11,2 11,0 10,2 11,3 Schmelzkammergranulat 100 100 99 99 98 99 100 99 100 100 100 100 Kesselsand 97 98 96 99 97 98 98 98 99 100 100 98 Flugasche ohne Additive 99 99 99 100 100 99 96 96 97 98 98 99 Wirbelschichtasche 96 95 96 84 82 86 85 87 86 91 91 87 technik (unter anderem Temperatur, Verweilzeit) ist durch Zugabe von Kalk stein eine Direktentschwefelung in der Feuerung möglich. Verfahrensbedingt fällt im Wirbel bett körnige Bettasche und bei der Entstaubung der Rauchgase staubfeine Wirbelschicht-Filterasche an. Wirbelschichtaschen stellen eine Mischung von Brennstoffasche, Entschwefelungsprodukt, nicht reagiertem Absorbens und unverbrannter Kohle dar. Die aus den Angaben der Umfragen ermittelten Produktionsmengen und Verwendungsraten der Verbrennungsprodukte aus Steinkohlekraftwerken sind für die Jahre 2008 bis 2019 in Ta b e l l e 1 dargestellt. In B i l d 1 ist die jährliche Produktion von Schmelzkammergranulat, Kesselsand, Flugasche und Wirbelschichtasche graphisch dargestellt. Die Gesamtmenge ist nach einem deutlichen Rückgang zwischen 2008 und 2010 in den Folgejahren bis 2015 nur leicht rückläufig. Seit 2016 hat sich der Rückgang wieder deutlich verstärkt und die Gesamtmenge hat sich im genannten Zeitraum um mehr als die Hälfte reduziert. Die Schwankungen der Jahreswerte entsprechen im Großen und Ganzen den Mengen der in den Kraftwerken verfeuerten Kohle. Der steigende Anteil an Importkohle mit von der heimischen Kohle abweichenden und wechselnden Aschegehalten wirkt sich hier ebenfalls aus. Der rechnerisch bestimmte mittlere Aschegehalt der Kohle lag im betrachteten Zeitraum zwischen 10,2 und 13,3 % (siehe auch B i l d 2 ). Seit 2010 wurde der Wert von 11,2 % nicht mehr überschritten und damit liegt der rechnerisch bestimmte mittlere Aschegehalt deutlich unter dem Aschegehalt der Vorjahre, der von 1997 bis 2006 immer zwischen 13,2 und 14,7 % lag. B i l d 3 zeigt die Veränderung der prozentualen Verteilung der Mineralstoffe. Deutlich erkennt man die kontinuierliche Abnahme des Anteils an Schmelzkammergranulat, die auf die bereits beschriebene Reduzierung von Schmelzkammerfeuerungen und den überwiegenden Einsatz Produktionsmenge in Millionen t 7 6 5 4 3 2 1 0 6,09 5,46 4,90 4,79 4,69 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 4,85 Jahr 4,53 4,49 Wirbelschichtasche Fiugasche Kesselasche/Kesselsand Schmelzkammergranulat Bild 1. Produktion von Nebenprodukten aus steinkohlebefeuerten Kraftwerken in den Jahren 2008 bis 2019, Mengenangabe in Millionen t. Aschengehalt in % 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 Jahr 4,30 3,76 3,27 2,57 Steinkohle Braunkohle Bild 2. Mittlerer Aschegehalt von Stein- und Braunkohle nach VGB-Erhebungen (rechnerisch bestimmt). von Anlagen mit Trockenfeuerung zurückzuführen ist. Weitere kleinere Umschichtungen und Schwankungen der Aschearten sind im Wesentlichen durch Prozessveränderungen und die Optimierung der Anlagentechnik bedingt. Die Produktion von Schmelzkammergranulat nahm von gut 1,3 Millionen Tonnen im 41
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