Die Chemie hinter den Prozessen thermischer Kraftwerke
Teil 1: Grundlagen der Wasserkchemie
Thermische Kraftwerke sind Meisterwerke der Ingenieurskunst, in denen die Chemie eine zentrale Rolle für Effizienz, Sicherheit und Umweltverträglichkeit spielt. Dieser Abschnitt behandelt die Rohwasseraufbereitung, die Konditionierung des Kesselspeisewassers und die Chemie in Kühltürmen – Prozesse, die sowohl bei Kohle- als auch bei Gaskraftwerken vorkommen.
Rohwasseraufbereitung
Bevor Wasser in einem Kraftwerk verwendet werden kann, muss es behandelt werden, um Verunreinigungen zu entfernen, die zu Ablagerungen, Korrosion oder Fouling führen könnten:
Koagulation und Flockung: Chemikalien wie Aluminiumsulfat (Alaun) oder Eisen(III)-chlorid destabilisieren suspendierte Partikel und bilden durch lange Polymerketten Flocken.
Sedimentation: Die Flocken setzen sich in Klärbecken als Schlamm ab.
Filtration: Mehrschicht- oder Sandfilter entfernen verbleibende Feststoffe.
Enthärtung: Kalk oder Soda fällen Calcium- und Magnesiumionen aus. Beispiel:
Ca(OH)₂ + Ca(HCO₃)₂ → 2 CaCO₃ (Niederschlag) + 2 H₂O
Diese Schritte reduzieren die Wasserhärte, Trübung und biologische Belastung und schützen nachgelagerte Anlagenteile.
Entsalzung und Chemie des Kesselspeisewassers
Hochdruckkessel benötigen hochreines Wasser, um Rohrverkalkung und Korrosion zu vermeiden:
Ionenaustausch: Kationen- und Anionenaustauscherharze entfernen Ionen und erzeugen demineralisiertes Wasser.
Entgasung: Mechanische Entgaser entfernen O₂ und CO₂.
Sauerstofffänger: Hydrazin (N₂H₄), Natriumsulfit oder Alternativen wie DEHA binden Rest-O₂. Beispiel:
N₂H₄ + O₂ → 2 H₂O + N₂ (Gas)pH-Konditionierung: Ammoniak oder flüchtige Amine erhöhen den pH-Wert und puffern Kondensatleitungen.
Phosphatbehandlung: Trinatriumphosphat reagiert mit Calcium zu nicht-haftendem Schlamm:
3 Ca²⁺ + 2 PO₄³⁻ → Ca₃(PO₄)₂ (Niederschlag)
Diese Behandlungen sorgen für Passivierung der Metalloberflächen, minimieren Ablagerungen und verlängern die Lebensdauer der Anlagen.
Chemie im Kühlturm
Kühltürme zirkulieren große Wassermengen und müssen kontrollieren:
Ablagerungsbildung: Verdunstung erhöht die Konzentration von Calciumcarbonat, das ausfallen kann. Phosphonate hemmen das Kristallwachstum.
Korrosion: Inhibitoren auf Zink- oder Phosphatbasis bilden Schutzfilme. Alkalinität wird zur Vermeidung von Säurekorrosion aufrechterhalten.
Biologisches Wachstum: Chlor oder Brom töten Mikroorganismen ab; nicht-oxidierende Biozide und Dispergiermittel verhindern Biofilme und Schleimbildung.
Diese Parameterkontrolle verhindert Fouling in Wärmetauschern, mikrobiell verursachte Korrosion und sichert die thermische Effizienz.
Schutz von Kesselrohren
Selbst Spurenelemente können bei hohen Temperaturen langfristig Schäden verursachen. Wichtige Strategien umfassen:
Sauerstoffbindung: Hydrazin und andere Reduktionsmittel entfernen O₂ und passivieren Stahloberflächen.
Alkalinitätskontrolle: Der pH-Wert wird mit Ammoniak oder Phosphatsystemen stabilisiert, um saure Korrosion zu vermeiden.
Phosphat- & Polymerprogramme: Härtebildner werden als Schlamm gefällt, der sich nicht absetzt.
Filmbildende Amine: Hydrophobe Beschichtungen auf Dampf- und Kondensatleitungen senken die Korrosionsrate.
Teil 2: Emissionen und Brennstoffchemie
NOₓ-Minderung in Gaskraftwerken: Selektive Katalytische Reduktion (SCR)
SCR-Systeme sind in Gaskraftwerken weit verbreitet, um Stickoxide zu entfernen:
Ammoniak- oder Harnstoffeinspritzung: Ammoniak (NH₃) oder thermisch zersetzter Harnstoff wird vor dem Katalysator injiziert.
Katalytische Reaktion: Bei 300–400 °C reagiert NH₃ mit NOₓ auf Vanadium-basiertem Katalysator:
4 NO + 4 NH₃ + O₂ → 4 N₂ + 6 H₂OAmmoniakschlupfkontrolle: Die Dosierung wird optimiert, um unverbrauchtes NH₃ im Abgas zu minimieren.
SCR-Systeme erreichen bis zu 90 % NOₓ-Minderung – entscheidend für die Einhaltung von Grenzwerten.
Chemie vor der Kohleverbrennung
Kohle enthält oft Verunreinigungen wie Schwefel, Asche und Schwermetalle. Vorbehandlung umfasst:
Waschen: Physikalische Trennverfahren (z. B. Schweremedien, Setzmaschinen) entfernen Gestein und Pyritschwefel.
Schaumflotation: Feinanteile werden mithilfe von Tensiden von mineralischen Bestandteilen getrennt.
Trocknen und Vermahlen: Erhöht die Verbrennungsgeschwindigkeit und Konsistenz im Ofen.
Additive: Binden Schwefel oder Quecksilber bei der Verbrennung, um Emissionen zu senken.
Die Vorreinigung verbessert die Effizienz und reduziert SO₂- sowie Aschebelastung für nachgeschaltete Abgasreiniger.
Teil 3: Rauchgasreinigung und Abwasserbehandlung
Rauchgasentschwefelung (REA)
Kohlekraftwerke stoßen bei der Verbrennung schwefelhaltiger Brennstoffe Schwefeldioxid (SO₂) aus. Die meisten Anlagen nutzen nasse Rauchgasentschwefelung:
Absorption: SO₂ wird in einem Kalkstein- (CaCO₃) oder Kalkmilchspray (Ca(OH)₂) absorbiert:
CaCO₃ + SO₂ → CaSO₃ + CO₂
Ca(OH)₂ + SO₂ → CaSO₃ + H₂OOxidation zu Gips: Das entstandene Calciumsulfit wird mit Luft zu Gips (CaSO₄·2H₂O) oxidiert:
CaSO₃ + ½ O₂ + 2 H₂O → CaSO₄·2H₂O
Der Gips kann entwässert und als Rohstoff für Gipsplatten verkauft werden.
pH-Kontrolle: Der pH-Wert des Reaktors wird typischerweise auf 5–6 eingestellt, um die Absorption zu maximieren und Ablagerungen zu vermeiden.
Scrubber-Abwasser- und Schlammbehandlung
REA-Systeme erzeugen große Mengen an Schlamm mit gelösten und suspendierten Feststoffen:
Fest-Flüssig-Trennung: Klärer oder Zentrifugen trennen Gips vom Schlamm.
Metallentfernung: Kalk oder Natronlauge erhöhen den pH-Wert zur Fällung von Schwermetallen (z. B. Arsen, Selen, Quecksilber):
As³⁺ + 3 OH⁻ → As(OH)₃ (Niederschlag)Sulfidbehandlung: Sulfidreagenzien (z. B. Na₂S) binden Metalle als unlösliche Sulfide.
Koagulation & Flockung: Eisen(III)-chlorid oder Polymere sammeln feine Partikel zu Flocken.
Filtration: Sand- oder Mehrschichtfilter entfernen verbleibende Feststoffe.
Biologische Behandlung: Anoxische Reaktoren reduzieren Selenat zu elementarem Selen und Nitrat zu Stickstoffgas.
Polishing-Schritte: Aktivkohle und Entchlorung sorgen für sichere Einleitung.
Abfallmanagement und Umweltkonformität
Gipsverwertung oder -entsorgung: Entwässerter Gips wird kommerziell genutzt oder deponiert.
Zero Liquid Discharge (ZLD): Verdampfer und Kristallisatoren gewinnen Wasser zurück und erzeugen nur Feststoffe.
Überwachung: Das Abwasser wird auf pH, Gesamtsalzgehalt (TDS) und Schwermetalle geprüft, um EPA-Grenzwerte einzuhalten.
Fazit
Während sich Gaskraftwerke auf die Kontrolle von NOₓ konzentrieren, müssen Kohlekraftwerke SO₂, Asche und schadstoffhaltiges Abwasser behandeln. Die Chemie ermöglicht es, Schadstoffe abzuscheiden, Wasser zu behandeln und Luft sowie Gewässer zu schützen. Diese Prozesse zeigen angewandte Chemie in Aktion – für ein saubereres, sichereres und effizienteres Stromnetz.
