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Umweltschutz
stahl und eisen 126 (2006) Nr. 6 47
Sicherheitstechnische Aspekte beider Anwendung von kohlenstoffhaltigen Sorbentien zurFlugstromadsorptionSafety aspects in the use of carbonaceous sorbents for entrained-phaseadsorption
Jürgen Wirling
Die Aktivkohletechnik, die als Schüttschichtfilter mit körnigen Sorbentien oder als Flugstromverfahren mit pulverför-migen Sorbentien ausgeführt wird, zählt wegen der erreichbaren hohen Abscheidegrade zu den am weitesten verbrei-teten Verfahren in der Abgasreinigung. Die in den letzten Jahren zunehmend zum Einsatz kommende adsorptive Ab-gasreinigung in einem Flugstromverfahren bei Nutzung vorhandener Entstaubungsaggregate stellt hierbei eines dereinfachsten und zugleich kostengünstigsten Verfahren dar. Die RWE Power AG verfügt über langjährige Erfahrungenim Umgang mit Kohlenstoffen. Am Beispiel von Herdofenkoks wird über das Reaktionsverhalten und über die hierausresultierenden Sicherheitsaspekte berichtet. Hierbei werden Maßnahmen speziell für den Einsatz von kohlenstoffhal-tigen Sorbentien zur Abgasreinigung bei Verwendung von Tuch- und Elektrofilteranlagen (z. B. in Elektrolichtbogen-öfen und Sinteranlagen) aufgezeigt.
Activated carbon technology implemented as a packed-bed filter using granular sorbents or as an entrained-phase process employing pulverised sorbents ranks among the most popular processes in waste gas cleaning dueto the achievable high separation performance. Adsorptive waste gas cleanup in an entrained dust cloud that hasincreasingly been used during recent years is one of the simplest and, at the same time, lowest-cost processes.Building up on the long experience RWE Power AG has in handling carbons, this paper uses the example of Acti-vated Lignite (HOK) to give an account of its reactive behaviour and the resulting safety aspects. Here, specificmeasures for the application of carbonaceous sorbents in waste gas cleaning using baghouses or electrostaticprecipitators (ESP), e.g. in sinter plants and EAFs, are identified.
Die Flugstromadsorption auf Basis kohlenstoffhal-tiger Sorbentien, wie beispielsweise Herdofen-
koks oder Aktivkohle, ist eine inzwischen großtech-nisch praktizierte Technik. Vor allem in der Müllver-brennung kommt die Flugstromadsorption zur Ab-scheidung von Dioxinen und Furanen sowieQuecksilber zum Einsatz. Neben der Anwendung in ei-genständigen Adsorptionsapparaten wird der Einsatzder Flugstromadsorption heute zunehmend in vor-handene Tuch- und Elektrofilteranlagen integriert, in-dem das Adsorptionsmittel als feinkörniges Pulver vorder eigentlichen Entstaubungsstufe dem Gasstrom zu-dosiert wird.
Bild zeigt das Kraftwerk der RWE Power AG imVeredlungsbetrieb Hürth. Zu sehen ist die E-Filteranla-
Dipl.-Ing. Jürgen Wirling, Leiter Abgas- und Wasserreinigung, Rheinbraun Brennstoff GmbH,Köln.
ge, vor der Herdofenkoks bei der Klärschlamm-Mitver-brennung eingedüst wird (im vorliegenden Fall zurMinderung der Hg-Emission).
Die zum Einsatz kommenden Aktivkohlen bestehenpraktisch nur aus Kohlenstoff, womit diese Stoffebrennbar und unter gewissen Umständen selbstent-zündungs- und explosionsfähig sind. Wie hoch dasBrand- und Explosionsrisiko ist, hängt zum einen vonden Brenn- und Explosionseigenschaften des Staubesund zum anderen von den vorliegenden Verfahrens-
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Die Abscheidung des Sorbens erfolgt bei den integ-rierten Flugstromverfahren, d. h. bei Nutzung der vor-handenen Entstaubungsaggregate, gemeinsam mitdem prozessseitig anfallenden Staub. Die Verteilungdes Adsorbens im Abgasstrom ist hierbei zur Erzie-lung einer ausreichenden Schadstoffabscheidung so-wie aus Gründen der Sicherheitstechnik von wesent-licher Bedeutung, Bild .
Herstellung und Charakteristik von Herdofenkoks Die Kohlenstoffaktivierung der aus den Tagebauen
der RWE Power AG in der Nähe von Köln gewonnenenBraunkohle erfolgt nach dem so genannten Herdofen-verfahren [2]. Der so erzeugte Aktivkoks weist die fürden Herdofenkoks (HOK) charakteristische Porenstruk-tur auf, woraus die hohe Abscheideeffizienz für eineVielzahl von Schadstoffen resultiert [1].
HOK zählt brandschutztechnisch zu den reaktions-trägen Sorbentien und ist dadurch auch bei hohenTemperaturen sicher einsetzbar [6; 7]. In Bild sinddie physikalischen und chemischen Kenngrößen vonHerdofenkoks zusammengefasst. Durch die Herstel-lung des HOK nach dem Herdofenverfahren bei einerTemperatur von über 900 °C werden die brennbarenprimärflüchtigen Bestandteile (Kohlenstoffverbindun-gen etc.) nahezu vollständig ausgetrieben. Bei dem an-schließenden Kühl- und Alterungsvorgang werdendurch Reaktion mit Sauerstoff und Absättigung deraktiven Zentren Sekundärflüchtige gebildet. Dabeihandelt es sich überwiegend um adsorptiv gebunde-nes CO2 und CO.
SicherheitsaspekteDie bei der Flugstromadsorption entweder in reiner
Form oder als Gemischkomponente zum Einsatz kom-menden Aktivkohlen bestehen praktisch nur aus Koh-lenstoff, womit diese Stoffe grundsätzlich brennbarsind. Wegen ihrer hohen Porosität sind diese Kohlenneben der Adsorption von Schadstoffen allerdingsauch in der Lage, mit Sauerstoff unter Wärmefreiset-zung zu reagieren. Neben der vorhandenen Brennbar-keit von kohlenstoffhaltigen Sorbentien ist zu berück-sichtigen, dass Aktivkohlen in Form von Staub wie je-der brennbare Staub unter bestimmten Umständenauch explosionsfähig sind. Eine Explosionsgefahr be-steht allerdings nur, wenn folgende vier Voraussetzun-gen gleichzeitig erfüllt sind: – Vorliegen von aufgewirbelter Aktivkohle, d. h., es
muss ein Aktivkohle/Luft-Gemisch vorliegen.– Überschreiten der Sauerstoffgrenzkonzentration,
die für eine Explosion des Gemisches erforderlichist.
– Vorhandensein einer Staub/Luft-Konzentration, diezwischen der unteren und oberen Explosionsgrenzeliegt.
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und Anlagenbedingungen ab. Die sicherheitstechni-sche Betrachtung und Bewertung bzw. Festlegung vonSchutzmaßnahmen zur Realisierung des Brand- undExplosionsschutzes erstreckt sich hierbei auf alle An-lagenbereiche und Verfahrensschritte, in denen Aktiv-kohlen als Einzelkomponente oder in Mischung mitdem Prozessstaub- und/oder Kalk gehandhabt werden.Aus Sicht der Sicherheitstechnik ist hierbei die Kennt-nis des Brenn- und Explosionsverhaltens der zum Ein-satz kommenden Aktivkohlen-/kokse in Verbindungmit den vorliegenden Prozess- und Anlagenbedingun-gen erforderlich.
Am Beispiel des Einsatzes von Aktivkoks zur Queck-silberabscheidung in einem kohlebefeuerten Indus-triekraftwerk wird gezeigt, dass ein wirksamesSchutzkonzept mit relativ einfachen Maßnahmen zurealisieren ist.
Generelles Verfahrenskonzept der FlugstromadsorptionBeim Flugstromverfahren wird das kohlenstoffhalti-
ge Sorbens staubförmig in den Rohgasstrom vor einervorhandenen Entstaubungseinrichtung – in Bild beispielhaft dargestellt als Tuchfilter (oben) undElektrofilter (unten) – eingeblasen [1; 8; 9].
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Kraftwerk der RWE Power AG im Veredlungsbetrieb HürthRWE Power Plant in the Hürth upgrading operations
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FlugstromadsorptionsverfahrenEntrained-phase adsorption process
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– Vorhandensein einer für die Zündung desStaub/Luft-Gemisches ausreichenden Zündquelle. Kann eine dieser Bedingungen ausgeschlossen wer-
den, ist die Gefahr einer Explosion nicht gegeben.Die Grundzüge des für den sicheren Einsatz von Ak-
tivkohlen in der Flugstromadsorption zu verfolgen-den Brand- und Explosionsschutzes sollen nachfol-gend aufgezeigt werden.
Brandschutz. Zur Vermeidung von Bränden in koh-lenstoffhaltigen Schüttungen oder Ablagerungen sindzwei Aspekte zu berücksichtigen: die von wirksamenZündquellen ausgehende Brandgefahr und die Nei-gung kohlenstoffhaltiger Materialien zur Selbstent-zündung.
Wirksame Zündquellen im Hinblick auf die Brand-gefahr bei der Flugstromadsorption können z. B. mitdem Abgas in das Filter eingetragene Funken sein. EinProblem, das für viele Anlagen oft auch deshalb rele-vant ist, weil mit dem Funkeneintrag Löcher in denFilterschläuchen von Tuchfilteranlagen eingebranntwerden und dann zu höheren Staubemissionen füh-ren.
Kann der Eintrag von wirksamen Zündquellen oderdie Entzündung an einer heißen Oberfläche ausge-schlossen werden, bleibt die oft unterschätzte Gefahrder Selbstentzündung. Die exotherme Reaktion vonAktivkohlen mit Sauerstoff vor der Entzündung ist einseit langem bekannter Vorgang und Inhalt zahlreicherUntersuchungen. Die Geschwindigkeit dieser Reak-tion wird im Wesentlichen von der Gaszusammenset-zung, dem Schüttungsvolumen und der Temperaturbeeinflusst und kann bereits bei Raumtemperatur ingeringem Ausmaß beobachtet werden. Es handelt sichalso um eine Oxidation, die schon vor Erreichen derSelbstentzündungstemperatur stattfindet. Ist eineausreichende Abfuhr der Reaktionswärme nicht gege-ben, so kann eine Art Kettenreaktion erfolgen, die zueiner steten Erwärmung der A-Kohleschüttung bzw.zu einer örtlichen Überhitzung („Hot spot“) führt, undletztendlich zur Selbstentzündung der Schüttung. DieNeigung zur Selbstentzündung nimmt hierbei mit derHöhe der Temperatur und der Größe des Staubvolu-mens zu, Bild . Diese Reaktion lässt sich hierbeinicht, wie die Staubexplosionsfähigkeit, durch die Zu-gabe von Interstoffen ohne weiteres unterbinden.Selbst bei geringen Aktivkohleanteilen in einer Staub-mischung lassen sich noch Selbstentzündungsreaktio-nen feststellen [5].
Zur Vermeidung von Selbstentzündungsreaktionensind folgende Maßnahmen, die mit relativ einfachenMitteln erreichbar sind, unabdingbar:– Vermeidung von größeren Staubablagerungen im
temperaturführenden Anlagenbereich, z. B. durchden kontinuierlichen Staubabzug aus dem Elektro-oder Tuchfilter.
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– Ausschluss von Luft- oder Abgasschleichströmun-gen durch Schüttungen (z. B. im Vorrats- oder Rest-stoffsilo). Bei Schleichströmungen besteht auch beiUmgebungstemperatur grundsätzlich die Gefahr,dass die im Strömungskanal der Gassträhne entste-hende Reaktionswärme zu einer örtlichen Überhit-zung in der Schüttung führt.
Explosionsschutz. Neben dem Ausschluss von wirk-samen Zündquellen kommt bei den Flugstromverfah-ren als Explosionsschutzmaßnahme meist die so ge-nannte Feststoffinertisierung zur Anwendung. Die Ak-tivkohlen werden hierbei mit einem staubförmigenInertstoff wie z. B. Kalkhydrat, Kalksteinmehl oderauch mit dem prozessseitig anfallenden Prozessstaub[9] so weit verdünnt, dass das anschließende Gemischaus Aktivkohle und Inertstaub nicht mehr explosions-fähig ist.
SicherheitskenngrößenWie hoch das Brand- und Explosionsrisiko ist, hängt
neben der vorliegenden Verfahrens- und Anlagentech-nik wesentlich von den Explosionseigenschaften der
Reingas
StaubabscheiderHOK
Rohgas
1. Adsorp-tionsstufe
„Eindüsung“
2. Adsorp-tionsstufe
„Flugphase“
3. Adsorp-tionsstufe
„Flugphase“ oder„Filterdeckschicht“
Tuchfilter
ReingasRohgas
HOK
HOKProzessstaub
Sorbensverteilung im FilterschichtverfahrenPollutant separation in the filter-bed process
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zu achten, dass die veränderbarenStoffparameter, wie Feuchte undKornfeinheit, vergleichbar sind.
Im Folgenden soll auf die zur Beur-teilung des Gefahrenpotentials derEntstehung von Bränden sowie desExplosionsgefahrenpotentials einerAktivkohle/Luft-Dispersion wesent-lichen Kennzahlen näher eingegan-gen werden.
Selbstentzündungstemperatur.Von oft unterschätzter Bedeutung beider sicherheitstechnischen Bewer-tung ist die Neigung von kohlenstoff-haltigen großvolumigen Ablagerun-gen zur Selbstentzündung. Unter derSelbstentzündung wird ein Vorgangverstanden, bei dem eine Schüttungbei allseitiger Wärmeeinwirkung in-folge exothermer Reaktion mit Luftnach vorangegangener Selbsterwär-mung zur Selbstentzündung kommt.
Die Selbstentzündung ist abhängig von der Aktivkoh-leart, der Temperatur, dem Schüttungsvolumen undder Zeit.
Für HOK und eine klassische Aktivkohle sind in Bildin Abhängigkeit vom Schüttungsvolumen die
Selbstentzündungstemperaturen wiedergegeben. DerVerlauf der Selbstentzündtemperatur zeigt, dass beihöheren Umgebungstemperaturen die Neigung zurSelbstentzündung steigt und demzufolge das zulässigeVolumen, bei dem keine Entzündung eintritt, geringerwird. Zu erklären ist diese Abhängigkeit mit der Frei-setzung der Reaktionswärme, die bei höheren Umge-bungstemperaturen bzw. größeren Haufwerken nichtausreichend abgeführt werden kann. In Folge hiervonkommt es zur Selbsterwärmung der Schüttung, diedann schließlich zur Selbstentzündung führt. Die Nei-gung zur Selbstentzündung lässt sich hierbei nicht,wie die Staubexplosionsfähigkeit, durch die Zugabevon Inertstoffen ohne weiteres unterbinden.
Mit dem bei HOK vorliegenden Selbstentzündungs-verhalten ist eine Entzündungsgefahr bei Lagerung ingeschlossenen Siloanlagen unter Luft ausgeschlossen.Für den Adsorberbetrieb ist bei den üblichen Betriebs-temperaturen von meist 150 bis 180 °C ein ausreichen-der Sicherheitsabstand zu den Selbstentzündungstem-peraturen von 250 bis 280 °C gegeben. Hier müssenauf Grund des Temperaturniveaus lediglich großvolu-mige Ablagerungen vermieden werden, z. B. durchkontinuierlichen und überwachten Austrag aus denFiltertrichtern.
Grundsätzlich sind bei allen Aktivkohlen im Kalt-sowie im Heißbereich Schleichströmungen durchSchüttungen auszuschließen, die durch die exother-
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zum Einsatz kommenden Aktivkohle ab. Die Beschrei-bung der Brenn- und Explosionseigenschaften erfolgthierbei anhand von Kenngrößen, die nach standardi-sierten Verfahren, wie sie in der Richtlinie VDI 2263,Blatt 1 [4] festgelegt sind, ermittelt werden, Bild . Dadas Reaktionsverhalten stoffspezifisch ist, sind die we-sentlichen Stoffparameter der untersuchten Aktivkoh-le grundsätzlich mit anzugeben, Bild . Einen Ein-fluss auf das Reaktionsvermögen nehmen z. B. dieflüchtigen Bestandteile, die Staubfeinheit, der Asche-gehalt und die Feuchte der zu bewertenden Aktivkoh-le. Insbesondere bei einem Sorbensvergleich ist darauf
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6
1000 m3
100 m3
10 m3
1 m3
100 dm3
10 dm3
1 dm3
100 cm3
10 cm3
Vol
umen
(Z
ylin
der
d=
h)
1/300 ˚C 1/250 ˚C 1/200 ˚C 1/150 ˚C 1/100 ˚C
Reziproke Selbstentzündungstemperatur
HOK pur5% HOK10% HOK35% HOKAktivkohle
5% H
OKHOK pu
r 35% HOK 10% HOK
Aktivkohle
Kennwerte HOK HOK HOK HOKGranulat Medium Staub Mahlaktiviert
Korngröße mm 1,25 - 5 0,1 - 1,5 < 0,4 < 0,2Schüttdichte t/m3 0,45 0,53 0,55 0,55Spez. Oberfläche m2/g 300
Kurzanalyse (roh)Wassergehalt % Massenanteil 0,5Aschegehalt % Massenanteil 10Heizwert MJ/kg 29,9Flüchtige % Massenanteil 3
Elementaranalyse (roh)C-H-N-O % Massenanteil 87,9 – 0,4 – 0,6 – 0,4 – 0,6Schwefel % Massenanteil 0,5
Ascheanalyse (wf)CaO % Massenanteil 35MgO % Massenanteil 14
Physikalische und chemische Kenngrößen von Herdofenkoks HOK Physical and chemical characteristics of Activated Lignite HOK
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Volumenabhängige Selbstentzündungstemperatur [5]Volume-dependent auto-ignition temperature [5]
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me Reaktion mit Luft zu einer örtlichen Überhitzungund unter Umständen zu einer späteren Selbstentzün-dung führen können.
Explosionsverhalten. Als fein aufgemahlenes Pul-ver können Aktivkohlen unter bestimmten Vorausset-zungen eine explosionsfähige Atmosphäre bilden, wo-mit diese Stoffe i. A. als explosionsfähig einzustufensind. Demzufolge sind Maßnahmen zu ergreifen, diegeeignet sind, das Auftreten einer explosionsfähigenAtmosphäre zu verhindern. Hierbei steht die Frage imVordergrund, unter welchen Bedingungen die Aktiv-kohle eine explosionsfähige Atmosphäre bilden kann.
Die mit HOK durchgeführten Untersuchungen erga-ben, dass explosionsfähige Staub-Luft-Gemische erstvorliegen, wenn eine Staub-/Luftkonzentration von 60g/m3 überschritten wird. Durch das vorliegende reak-tionsträge Verhalten wird HOK der Staubexplosions-klasse ST 1 zugeordnet. Als Explosionsschutzmaßnah-me ist die konsequente Vermeidung wirksamer Zünd-quellen ausreichend.
Für die verfahrenstechnische Anwendung von Ak-tivkohlen in Flugstromadsorbern wird meist das Kon-zept der so genannten Feststoffinertisierung prakti-ziert. Dazu vermischt man Aktivkohle mit einem Inertstaub wie z. B. Kalk oder auch Prozessstaub mitdem Ergebnis, dass diese Mischung nicht mehr explo-sionsfähig ist, Bild .
Der zur Unterdrückung der Explosionsfähigkeit er-forderliche Mindestinertanteil hängt neben der Tem-peratur von der Art der Aktivkohle und dem Inert-staub ab und muss experimentell ermittelt werden.Mit HOK und Kalkhydrat als Inertstoff durchgeführteUntersuchungen zeigen, dass bereits bei einem Kalk-hydratanteil von 60 % das Staubgemisch auch bei ei-ner Temperatur von 200 °C nicht mehr explosionsfä-hig ist.
8Mindestzündenergie. Die Mindestzündenergie ist
ein Maß für die Zündempfindlichkeit von Staub-Luft-Gemischen gegenüber elektrischen Funken. Hierbeisteht insbesondere die Frage im Vordergrund, ob Ent-zündungen infolge von elektrischen Entladungenmöglich sind. Die Mindestzündenergie ist hierbei derniedrigste Wert der elektrischen Energie, der bei einerEntladung gerade ausreicht, das Staub-Luft-Gemischzu entzünden. Die Prüfung ist mit getrockneten Pro-ben durchzuführen, da andernfalls das Ergebnis denweniger kritischen Zustand beschreibt.
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Aktivkohle
TestprobeAnalyse:Korngröße, Wassergehalt.Flüchtige Bestandteile,Aschegehalt etc.
AufgewirbelterStaub
ZündtemperatrurExplosionsfähigkeit
Max. Explosionsdruck
Max. zeitl. Druckanstieg
Untere Explosionsgrenze
Mindestzündenergie
SauerstoffgrenzkonzentrationBewertung der Explosionsgefahr
Bewertung der Brandgefahr
Glimmtemperatur
Selbstentzündung
Brennbarkeit
Entzündbarkeit
Abgelagerter Staub
Granulat Aktivkoks staubförmig zum VergleichKenngrößen HOK HOK HOK Brennstaub
Feinkoks Staub mahlaktiviert
Wassergehalt % Massenanteil 0,5 0,5 0,5 11,0Korngröße mm 1,25 – 5 0 – 0,4 0 – 0,1 0 – 0,5Medianwert µm 63 24 60Brennzahl (20 °C) BZ 2 BZ 2 BZ 3 BZ 4Selbstentzündungstemperatur °C 280 260 260 110Glimmtemperatur °C > 450 > 450 > 450 240Zündtemperatur °C 560 590 450Untere Explosionsgrenze (20 °C) g/m3 Nicht 60 60 4021 % Volumenanteil O2 explosionsfähigMax. Explosionsüberdruck bar 7,6 8,6 9KSt-Wert bar · m/s 96 92 150Staubexplosionsklasse St 1 St 1 St 1Mindestzündenergie (20 °C) J 200 – 500 200 – 500 0,185 – 0,245
Kennzahlen zur Beurteilung des Brenn- u. Explosionsverhaltens vonstaubförmigen Aktivkohlen [3]Parameters for the evaluation of the combustion and explosion behaviourof pulverised activated carbons [3]
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Brenn- und Explosions-kenngrößen von Herd-ofenkoks HOK [5; 6]Combustion and explo-sion parameters of Activated Lignite HOK[5; 6]
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Bei Versuchen mit HOK und einer Ausgangstempe-ratur von 20 °C konnte die Mindestzündenergie wiefolgt eingegrenzt werden:
200 J < Emin < 500 J
Die Mindestzündenergie von HOK liegt damit überden Energiewerten, die bei durch elektrostatische Auf-ladungen hervorgerufenen Entladungserscheinungenzu erwarten ist.
Sicherheitskonzept beim Praxiseinsatz vonAktivkohlen in der Flugstromadsorption
Nach den sicherheitstechnischen Kenngrößen istHOK durch das reaktionsträge Verhalten auch bei hö-heren Temperaturen sicher einsetzbar. Voraussetzunghierfür ist, wie bei allen kohlenstoffhaltigen Sorben-tien, die Einhaltung von Sicherheitsanforderungenzur Vermeidung von wirksamen Zündquellen.
Bezogen auf den jeweiligen Anwendungsfall kanndie konsequente Vermeidung von wirksamen Zünd-quellen durch unterschiedliche Maßnahmen reali-siert werden. Aus diesem Grund ist es erforderlich,jede Anlage, an der eine Eindüsung von Aktivkohlenzu installieren ist, hinsichtlich der konstruktiven undbetriebsbedingten Gegebenheit in der Gesamtheit zubetrachten und die Sicherheitsmaßnahmen spezielldarauf abzustimmen.
Am Beispiel der Flugstromadsorption mit HOK aneiner Kraftwerksanlage und bei Verwendung einesElektrofilters zur Staubabscheidung sollen nachfol-gend die wesentlichen Fragen zur Sicherheitstechnikangesprochen und die hieraus resultierenden Maß-nahmen des Brand- und Explosionsschutzes aufge-zeigt werden.
Kurzbeschreibung der Anlagentechnik. Bild zeigt den schematischen Aufbau der Kraftwerksanlagemit der zur Quecksilberabscheidung installierten Flug-stromadsorptionseinrichtung. Der nach dem Prinzipder zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung arbeitende275-MWth -Dampferzeuger wird mit Rohbraunkohle alsHauptbrennstoff befeuert. Neben der Rohbraunkohle
wird teilentwässerter Klärschlamm mitver-brannt. Die Entstaubung der bei der Verbren-nung anfallenden Abgase von insgesamt ca.350 000 m3/h erfolgt in einem Vier-Feld-Elektro-filter. Nach der Entstaubung wird das 160 °C hei-ße Abgas in die Atmosphäre abgeführt [8].
Das Adsorptionsmittel HOK wird direkt inden Abgasstrom vor dem E-Filter zugegeben. Dieanschließende Abscheidung des mit Schadstof-fen beladenen HOK erfolgt gemeinsam mit demFilterstaub im nachgeschalteten E-Filter. Der ab-geschiedene Filtermischstaub wird hierbei kon-tinuierlich ausgetragen und in einem Silozwischengelagert und anschließend entsorgt.
Der für die Abgasreinigung eingesetzte HOKwird mittels Silofahrzeug angeliefert und pneu-matisch in ein Vorlagesilo gefördert. Über eineDosiereinrichtung wird der HOK anschließendpneumatisch mittels Druckluft zur Einblasstel-le gefördert, Bild .
Für die sicherheitstechnische Bewertungkann die Gesamtanlage in die folgenden aktiv-kohleführenden Bereiche untergliedert werden.
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HOK-Zugabe zur Hg-Abscheidung in einem Industriekraftwerk [8]HOK addition for Hg separation in an industrial power plant [8]
9
50°C
200°C
V=1 m3
E=10 kJ
Pm
ax (
n)P
max
(n
=0)
1,0
0,5
0
Ausgangstemperatur
0 20 40 60
Kalkhydratanteil (n) in % Massenanteil
Einfluss des Inertanteils auf die Explosionsfähigkeit [5]Influence of the inert portion on explosibility [5]
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HOK-Bevorratung und Dosierung. Für die Lagerungdes HOK in Stahlblechsilos unter Atmosphärendruckist auf Grund der Produkteigenschaften von HOK alsSchutzmaßnahme die konsequente Vermeidung wirk-samer Zündquellen vollkommen ausreichend, gutach-terseitig anerkannt und seit Jahrzehnten praxisbe-währt. Ein konstruktiver Explosionsschutz etwa durchdruckstoßfeste Bauweise, Druckentlastungsflächenoder eine inerte Lagerung ist nicht erforderlich. DieBefüllung des Silos erfolgt mittels pneumatischer För-derung mit Luft. Nach entsprechender Dosierungdurch mechanische Fördereinrichtungen erfolgt derWeitertransport des HOK vom Silo zum Abgaskanaldurch Druckluft.
Die Schutzmaßnahme „Vermeidung von Zündquel-len“ wird u. a. realisiert durch den Einsatz von explo-sionsgeschützten elektrischen Betriebsmitteln im In-nern des Silos und der Dosiereinrichtung, die Erdungaller leitfähigen Anlagenteile und durch das Begren-zen der Förderlufttemperatur. Am Silokopf und -aus-lauf sind daneben Temperaturmesssonden zur Über-wachung vorgesehen. Die Anschlüsse sind so ausge-führt, dass Luft nicht unkontrolliert ins Silo eintretenkann und zu Schleichströmungen in der Schüttungführen kann. Besonderes Augenmerk gilt hier u.a. derSorbensübergabe in die pneumatische Förderleitung.Durch den bei der Verwendung von Injektoren bzw.Förderschuhen vorliegenden Unter- bzw. Überdruckan der Übergabestelle ist zur Vermeidung vonSchleichströmungen im Silo eine Druckentkopplungzur Atmosphäre hin vorzusehen.
Die Siloanlage wurde entsprechend den „Empfehlun-gen zum Umgang mit Herdofenkoks HOK“ der RWE Power AG ausgeführt [7]. In diesen Empfehlungen, die ge-meinsam mit der Exam (ehemals DMT) als Fachstelle fürBrand- und Explosionsschutz erstellt wurden, wird um-fassend über die bei der Förderung und Lagerung vonAktivkohlen zu beachtenden Sicherheitsmaßnahmeninformiert. Die beschriebenen Maßnahmen stehen imEinklang mit den gültigen Sicherheitsmaßnahmen undwerden von namhaften Experten für Sicherheitsfragenbefürwortet, Bild . Die heute weit über 100 Silo- undFörderanlagen, wo Activated Lignite HOK im Einsatz ist,bestätigen die Wirksamkeit dieser Empfehlungen.
Abgasleitung und E-Filter. Im Abgaskanal der Ein-düsstelle des HOK und des Elektrofilters sowie imElektrofilter ist das Schutzkonzept durch mehrerevoneinander unabhängige Maßnahmen (Redundanz)sichergestellt:– Durch die Vermischung des HOK mit der inerten
Flugasche von 4 – 5 t/h liegt ein Staubgemisch miteinem HOK-Anteil von weit unter 5 % Massenanteilvor, womit das Gemisch nicht explosionsfähig ist.
– Die Konzentration des HOK-Staubes liegt auch beimaximaler Dosierung von 100 kg/h mit <1 g/m3 (Ab-
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gasvolumenstrom) deutlich unter der unteren Ex-plosionsgrenze, womit keine explosionsfähigeAtmosphäre vorliegt.
– Begünstigend kommt hinzu, dass die durchschnittli-che Sauerstoffkonzentration von 7 % Volumenanteilunterhalb der Sauerstoffgrenzkonzentration liegt.Bezüglich des Brandschutzes ist der Abgaskanal so-
wie das Elektrofilter so ausgeführt, dass keine großvo-lumigen Ablagerungen entstehen können. Die Filter-platten werden in regelmäßigen Abständen abge-klopft und anfallender Staub kontinuierlich ausgetra-gen. Somit können sich im Abgaskanal sowie im Filtergroße Staubmengen langfristig nicht ablagern. In Ver-bindung mit der Betriebstemperatur von zirka 160 °Csind Selbstentzündungsreaktionen auszuschließen.Durch das reaktionsträge Verhalten von HOK stellendie betriebsüblichen kleineren Staubablagerungen imAbgaskanal und im E-Filter bei den vorliegenden Be-dingungen keine Entzündungsgefahr dar.
Pneumatischer Umschlag von HOK [7]Pneumatic transloading of HOK [7]
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Befüllleitung
Zellenrad
Förderluft
BKKS
DosierstationAbgaskanal mitEinblasstutzen
Silo- und DosiereinrichtungSilo and feeding unit
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L i teratur
[1] Wirling J. et al: Implementation of process-integrated waste gas cleaning using activated lignite, AWMA, Kansas City, USA, März2001.
[2] Braunkohlenkoks – Herstellung und Einsatzmöglichkeiten, Infor-mationsschrift der Rheinbraun Brennstoff GmbH.
[3] VDI-Richtlinie 2263: Staubbrände und Staubexplosionen, Gefah-ren – Beurteilung – Schutzmaßnahmen, Mai 1992.
[4] VDI-Richtlinie 2263, Blatt 1: Staubbrände und Staub-explosionen, Untersuchungsmethoden zur Ermittlung vonsicherheitstechnischen Kenngrößen von Stäuben, Mai 1990.
[5] Wiemann, W.: VDI-Berichte Nr. 975 (1992), S. 606/25.
[6] Exam BBG Prüf- und Zertifizier GmbH: Expert Opinion on theFire and Explosion Parameters and Handling of Pulverized Ac-tivated Liginite, Nov. 2003.
[7] Empfehlungen zum Umgang mit Herdofenkoks, Informations-schrift der Rheinbraun Brennstoff GmbH, Mai 2004.
[8] Wirling, J.: Adsorptive waste gas cleaning in an industrial scalecoal fired power plant, US EPA/EPRI/DOE Mega Symposium andAir and Waste Management Association’s Speciality Conf. onMercury Emissions, Chicago, USA, August 2001.
[9] Prüm, C; Werner, C; Wirling, J.: stahl u. eisen 124 (2004) Nr. 10,S. 61/67.
Filterstaubaustrag. Im Elektrofilter werden mögli-che Selbstentzündungsgefahren vermieden durcheine Temperaturüberwachung der Abgase und der be-heizten Filtertrichter. Darüber hinaus können großvo-lumige Staubansammlungen in den Filtertrichternmittels kontinuierlichem Staub-austrag und Füllstandüberwa-chung verhindert werden.
Anzumerken bleibt an dieserStelle, dass größere Staubansamm-lungen in den Filtertrichtern vonbestehenden Anlagen häufig zubeobachten sind und meist die Ur-sache für Glimmbrände sind. Ursa-chen hierfür können z. B. Falsch-lufteinbrüche, Ausfall der Aus-tragsorgane, Staubbrücken im Fil-tertrichter oder unzureichendeTrichterbeheizung sein. DurchEinsatz von Niveausonden könnendiese unzulässigen Staubansamm-lungen detektiert werden, womitGegenmaßnahmen rechtzeitigeingeleitet werden können. DerAustrag sollte daneben grundsätz-lich so ausgelegt werden, dass derbei der Abreinigung anfallendeStaub zügig ausgetragen wird undnicht über längere Zeit im Filtertrichter liegt. Da diemeisten Anlagen im Unterdruck betrieben werden,sind die Austragsorgane zur Vermeidung des Eintra-ges von Umgebungsluft so ausführen, dass keineRückströmung erfolgt.
Rückstandssilo. Vor der Deponierung wird der imElektrofilter ausgetragene Filtermischstaub in einem
Reststoffsilo zwischengelagert. Das Reststoffsilo isthinsichtlich der Sicherheitstechnik wie das HOK-Vor-ratssilo ausgeführt. Allerdings ist das Risiko, das vondem Rückstandssilo ausgeht, im Vergleich zum HOK-Vorratssilo auf Grund des sehr geringen HOK-Anteils
vernachlässigbar gering.
FazitZur Beurteilung der von kohlen-
stoffhaltigen Sorbentien ausgehen-den Gefahr muss abhängig von derVerfahrenstechnik das Brand- undExplosionsverhalten der zum Einsatzkommenden Aktivkohle bekanntsein. Sie sind Grundlage für die Aus-wahl geeigneter Schutzmaßnahmen.
Am Beispiel von Herdofenkokswurde gezeigt, dass bei Kenntnis derSicherheitskriterien die Umsetzungder für den Betrieb von Flugstrom-adsorbern erforderlichen Schutz-maßnahmen sicher und einfachdurchführbar ist. Die Flugstromad-sorption mit HOK wird seit vielenJahren an den unterschiedlichstenAnlagen praktiziert. Die verfahrens-integrierte Adsorption an HOK hatsich hierbei als ein wirksames und
sicheres Verfahren herausgestellt. Hinsichtlich der Übertragbarkeit der beschriebenen
Sicherheitstechnik auf andere Aktivkohlen ist zu be-achten, dass die vorzusehenden Sicherheitsmaßnah-men von der Art und der Qualität des eingesetzten Ad-sorbens abhängt und ggf. weitere Sicherheitsmaßnah-men erfordern können. (S 31406)
«Zur Beurteilung dervon kohlenstoffhal-tigen Sorbentien aus-gehenden Gefahrmuss abhängig vonder Verfahrenstechnikdas Brand- und Ex-plosionsverhalten derzum Einsatz kom-menden Aktivkohlebekannt sein. Sie sindGrundlage für dieAuswahl geeigneterSchutzmaßnahmen»
