Die Chemie hinter den Prozessen thermischer Kraftwerke

Teil 1: Grundlagen der Wasserchemie

Thermische Kraftwerke sind Wunderwerke der Technik, in denen die Chemie eine zentrale Rolle für Effizienz, Sicherheit und Umweltverträglichkeit spielt. Dieser Abschnitt behandelt Rohwasseraufbereitung, Konditionierung des Kesselspeisewassers und die Wasserchemie des Kühlturms – Prozesse, die kohle- wie gasbefeuerte Kraftwerke gemeinsam haben.

Rohwasseraufbereitung

Bevor Wasser in einem Kraftwerk genutzt werden kann, muss es aufbereitet werden, um Verunreinigungen zu entfernen, die Belagbildung, Korrosion oder Verschmutzung verursachen könnten:

Koagulation und Flockung: Chemikalien wie Aluminiumsulfat (Alaun) oder Eisen(III)-chlorid werden zugegeben, um suspendierte Partikel zu destabilisieren und zusammenzulagern. Mithilfe langkettiger Polymere bilden sie Flocken.
Sedimentation: Die Flocken setzen sich in Klärbecken als Schlamm ab.
Filtration: Mehrschicht- oder Sandfilter entfernen die verbliebenen Feststoffe.
Enthärtung: Kalk oder Soda fällt Calcium- und Magnesiumionen aus. Zum Beispiel:
- Ca(OH)₂ + Ca(HCO₃)₂ → 2 CaCO₃ (Niederschlag) + 2 H₂O

Diese Schritte verringern Härte, Trübung und biologische Belastung, um die nachgeschalteten Anlagen zu schützen.

Entsalzung und Chemie des Kesselspeisewassers

Hochdruckkessel verlangen hochreines Wasser, um Belagbildung und Korrosion der Rohre zu verhindern:

Ionenaustausch: Entfernt Ionen mithilfe von Kationen- und Anionenaustauscherharzen und erzeugt vollentsalztes Wasser.
Entgasung: Mechanische Entgaser entfernen O₂ und CO₂.
Sauerstofffänger: Hydrazin (N₂H₄), Natriumsulfit oder Alternativen wie DEHA zehren den Restsauerstoff. Beispiel:
- N₂H₄ + O₂ → 2 H₂O + N₂ (Gas)
pH-Konditionierung: Ammoniak oder flüchtige Amine heben den pH-Wert an und puffern die Kondensatleitungen.
Phosphatbehandlung: Trinatriumphosphat reagiert mit Calcium zu nicht haftendem Schlamm:
- 3 Ca²⁺ + 2 PO₄³⁻ → Ca₃(PO₄)₂ (Niederschlag)

Diese Behandlungen sichern die Metallpassivierung, mindern Beläge und verlängern die Lebensdauer der Anlagen.

Chemie des Kühlturms

Kühltürme wälzen große Wassermengen um und müssen Folgendes beherrschen:

Belagbildung: Verdunstung konzentriert Calciumcarbonat auf, das ausfallen kann. Phosphonate hemmen das Kristallwachstum.
Korrosion: Inhibitoren auf Zink- oder Phosphatbasis bilden Schutzfilme. Die Alkalität wird gehalten, um sauren Angriff zu vermeiden.
Biologisches Wachstum: Chlor oder Brom tötet Mikroben; nicht oxidierende Biozide und Dispergiermittel helfen, Schleim und Biofilme zu beherrschen.

Die Kontrolle dieser Parameter verhindert das Zusetzen der Wärmetauscher und mikrobielle Korrosion und sichert eine gleichmäßige thermische Leistung.

Schutz der Kesselrohre

Selbst Spuren von Verunreinigungen können in Hochtemperaturumgebungen langfristig Schaden anrichten. Wichtige Strategien sind:

Sauerstoffbindung: Hydrazin und andere Reduktionsmittel entfernen den Restsauerstoff und passivieren die Stahloberflächen.
Alkalitätskontrolle: Der pH-Wert wird mit Ammoniak- oder Phosphatsystemen gehalten, um saure Korrosion zu verhindern.
Phosphat- und Polymerprogramme: Fällen Härtebildner als nicht haftenden Schlamm und verhindern Beläge.
Filmbildende Amine: Tragen hydrophobe Schichten auf Dampf- und Kondensatleitungen auf und mindern die Korrosion.

Teil 2: Emissionen und Brennstoffchemie

NOₓ-Minderung in Gaskraftwerken: Selektive katalytische Reduktion (SCR)

SCR-Systeme sind in gasbefeuerten Kraftwerken zur Entfernung von Stickoxiden verbreitet:

Ammoniak- oder Harnstoffeinspritzung: Ammoniak (NH₃) oder thermisch zersetzter Harnstoff wird dem Katalysator vorgeschaltet eingebracht.
Katalysatorreaktion: Bei rund 300–400 °C reagiert NH₃ an einem Katalysator (meist auf Vanadiumbasis) mit NOₓ:
- 4 NO + 4 NH₃ + O₂ → 4 N₂ + 6 H₂O
Kontrolle des Ammoniak-Schlupfs: Die Ammoniakzufuhr wird so eingestellt, dass möglichst wenig unumgesetztes NH₃ im Abgas verbleibt.

SCR-Systeme erreichen bis zu 90 % NOₓ-Minderung – entscheidend für die Einhaltung der Vorschriften.

Chemie der Kohle vor der Verbrennung

Kohle enthält häufig Verunreinigungen wie Schwefel, Asche und Spurenmetalle. Die Behandlung vor der Verbrennung umfasst:

Waschen: Physikalische Trennverfahren (etwa Schwertrübe-Zyklone, Setzmaschinen) entfernen Gestein und pyritischen Schwefel.
Schaumflotation: Feinkohle wird mithilfe von Tensiden von der Mineralsubstanz getrennt.
Trocknen und Mahlen: Verbessert Abbrand und Gleichmäßigkeit in den Feuerungen.
Additive: Bestimmte Zusätze binden Schwefel oder Quecksilber bei der Verbrennung und senken die Emissionen.

Die Vorreinigung der Kohle verbessert die Verbrennungseffizienz und entlastet die nachgeschalteten Wäscher von SO₂- und Aschefrachten.

Teil 3: Rauchgaswäsche und Abwasserbehandlung

Rauchgasentschwefelung (REA)

Kohlebefeuerte Kraftwerke setzen beim Verbrennen schwefelhaltiger Brennstoffe Schwefeldioxid (SO₂) frei. Um es vor der Freisetzung in die Atmosphäre abzufangen, nutzen die meisten Kraftwerke die nasse Rauchgasentschwefelung:

Absorption: SO₂ wird in einer Suspension aus Kalkstein (CaCO₃) oder Kalkhydrat (Ca(OH)₂) absorbiert, die in den Rauchgasstrom gesprüht wird:
- CaCO₃ + SO₂ → CaSO₃ + CO₂
- Ca(OH)₂ + SO₂ → CaSO₃ + H₂O
Oxidation zu Gips: Das CaSO₃ (Calciumsulfit) wird anschließend mit Luft zu Gips (CaSO₄·2H₂O) oxidiert:
- CaSO₃ + ½ O₂ + 2 H₂O → CaSO₄·2H₂O

Der Gips lässt sich entwässern und für die Herstellung von Gipskartonplatten verkaufen.

pH-Kontrolle: Der pH-Wert des Wäschers wird sorgfältig geregelt (meist 5–6), um die SO₂-Absorption zu optimieren und Beläge zu minimieren.

Wäscherablauf und Abwasserbehandlung

Nasse REA-Systeme erzeugen große Mengen an Suspension mit gelösten und suspendierten Feststoffen, die vor der Einleitung behandelt werden müssen:

Fest-Flüssig-Trennung: Klärbecken oder Zentrifugen trennen die Gipsfeststoffe von der Suspension.
Metallabtrennung: Chemikalien wie Kalk oder Natronlauge heben den pH-Wert an, um Schwermetalle (etwa Arsen, Selen, Quecksilber) auszufällen.
- Beispiel: As³⁺ + 3 OH⁻ → As(OH)₃ (Niederschlag)
Sulfidbehandlung: Sulfidreagenzien (etwa Na₂S) binden bestimmte Metalle als unlösliche Metallsulfide.
Koagulation und Flockung: Eisen(III)-chlorid oder Polymere fassen feine Niederschläge zu entfernbaren Flocken zusammen.
Filtration: Mehrschicht- oder Sandfilter fangen die verbliebenen Feststoffe ab.
Biologische Behandlung: Anoxische Bioreaktoren reduzieren Selenat zu elementarem Selen und Nitrat zu Stickstoffgas.
Feinreinigungsschritte: Aktivkohle und Entchlorung stellen sicher, dass das Wasser unbedenklich eingeleitet werden kann.

Abfallwirtschaft und Umweltkonformität

Gipsverwertung oder -entsorgung: Entwässerter Gips wird oft kommerziell weiterverwendet oder auf abgedichteten Deponien abgelagert.
Nullflüssigkeitseinleitung (Zero Liquid Discharge, ZLD): Manche Kraftwerke setzen Verdampfer und Kristallisatoren ein, um Wasser zurückzugewinnen und nur festen Abfall zu erzeugen.
Überwachung: Der endgültige Ablauf wird auf pH-Wert, gelöste Feststoffe gesamt (TDS) und Spurenmetalle geprüft, um die EPA-Grenzwerte einzuhalten.

Fazit

Während Gaskraftwerke ihr Augenmerk auf die Kontrolle von NOₓ richten, müssen Kohlekraftwerke SO₂, Asche und metallbeladenes Abwasser beherrschen. Die Chemie versetzt Kraftwerke in die Lage, Schadstoffe abzufangen, Wasser aufzubereiten und Luft- wie Wasserqualität zu schützen. Diese Prozesse zeigen angewandte Chemie in Aktion – sie machen das Netz sauberer, sicherer und effizienter.

Link zu meinem vollständigen Paper hierzu (an den Formaten der chemischen Reaktionen arbeite ich noch; es ist in Arbeit): https://docs.google.com/document/d/12QMDWj_HJ9QQZMPSZyrMtsLcsDYeCCZrUUzDJK90uwQ/edit?usp=sharing