Die Auslaugung von Flugasche in MEA-Lösungen und ihre Bedeutung für die großtechnische Abscheidung von CO₂ aus dem Rauchgas kohlegefeuerter Kraftwerke

Flugstaubkonzentrationen werden mit dem Rauchgas in die Carbon Capture (CC)-Anlage eines Kohlekraftwerks eingetragen. Absorbierter Flugstaub wird mit der Betriebszeit angereichert und unterliegt Lösungsvorgängen in Monoethanolamin-Lösungen (MEA). Bisherige Untersuchungen mit Elektrofilteraschen sind überwiegend Probe für Probe untersucht und nicht immer mit den gleichen Auslaugungsparameter durchgeführt worden. Auch bestanden Unterschiede im Analysenaufwand für die Schwermetalle. Diese Studie unterstreicht mit den Ergebnissen zur Auslaugung von Hauptbestandteilen und Schwermetallen, vor allem von Eisen, aus Elektrofilteraschen die Bedeutung für den CC-Betrieb mit MEA, betont die wichtigen Auslaugungsparameter und schafft damit ein besseres Verständnis für die in einer CC-Anlage ablaufende Auslaugung mit Flugstaub.

Diese Arbeit befasst sich mit parallel durchgeführten Elutionen an drei unterschiedlichen Elektrofilteraschen unter den wichtigsten Auslaugungsbedingungen, wobei immer dieselbe mit CO₂ beladene, 5 molare MEA-Lösung eingesetzt wurde. Der umfangreiche Datensatz enthält für jedes der 30 Eluate die Ergebnisse von 5 physikalischen Summenwerten, 5 Makroelementen und 6 Schwermetallen.

Die verbleibende Studie behandelt Untersuchungen an zwei weiteren Elektrofilteraschen bei drei Verhältnissen von Feststoff zu Flüssigkeit mit einer CO₂ teilbeladenen, 5 molaren MEA- Lösung, um über vierfache Wiederholungen der Auslaugung und Analytik die Ergebnisse abzusichern. Analysenergebnissse dieser Untersuchung sind Basis für eine Abschätzung der Fe-Konzentration zu Betriebsbeginn einer CC-Anlage.

Die wesentlichen Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Die mit CO₂ beladene, 5 molare MEA-Lösung hält große Konzentrationen an Fe nachder Auslaugung von E-Filterasche in Lösung, sehr viel mehr als vollentsalztes Wasser. Die Konzentrationen von Fe und den anderen Schwermetallen verhalten sich E- Filteraschen-spezifisch.
• Die Zunahme der Fe-Konzentrationen im Eluat mit steigender Molarität der mit CO₂ beladenen MEA-Lösung ist überproportional.
• Glykolat als Alterungsprodukt erhöht die Auslaugung von Fe aus E-Filteraschen. Oxalat kann die Löslichkeit von Fe durch Fällung herabsetzen.
• Mit abnehmendem Verhältnis von Feststoff zu Flüssigkeit sinken die nachweisbaren Element-Konzentrationen. Das Verhalten im g/l-Bereich (Feststoff zu Flüssigkeit) ist Element- beziehungsweise Verbindungs-spezifisch und charakteristisch für jede E- Filterasche.
• Ab 1:1000 (g/g) sind diese Unterschiede klein und die Eluate der verschiedenen E- Filteraschen gleichen sich immer mehr an.
• Die Ergebnisse der Reproduzierbarkeitsmessungen weisen für Mg, Ca, S, Fe, V, Cr und Mn Variationskoeffizienten überwiegend kleiner 5 % auf.
• Die Messergebnisse für das Eluat einer E-Filterasche bei einem Verhältnis von 1:1000 (g/g) sind für die Modellrechnungen zu den erwarteten Konzentrationen zu Betriebsbeginn einer CC-Anlage genutzt worden.
• Wenn 1 mg/m³ Flugstaub in einer CC-Anlage absorbiert werden und ein spezifischer Anreicherungsfaktor von 0,8 m³/(l_inv*h) besteht, sind abgeschätzt bereits 24 Stundennach der Inbetriebnahme der CC-Anlage geringe Konzentrationen an Mg, Ca, S und Fe in µg/l in der mit CO₂ teilweise beladenen MEA-Lösung aufgrund der Auslaugung des Flugstaubes nachweisbar.

Um eine Betriebszeit von zumindest 4000 Stunden mit Staubkonzentrationen kleiner 1 g/kg zu erreichen, sollte die Konzentration an Flugstaub (davon 50 % Flugasche) im Rauchgas vor dem Absorber der CC-Anlage 0,6 mg/m³ (STP, dry, 6 % O₂) bei einem Anreicherungsfaktor von 0,8 m³/(l_inv*h) nicht überschreiten.