Weniger Quecksilberemission aus Kohlekraftwerken mit mehr Technik
Kohlekraftwerke gelten als die stärksten Emittenten von Quecksilber (Hg). Der VDI fasst den Stand der Technik und des Wissens zusammen, um Emissionen und Einleitungen von Hg zu verringern. Im Steinkohlekraftwerk in Lünen zeigt Trianel, was technisch machbar ist.
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Das Trianel Kohlekraftwerk Lünen am Datteln-Hamm-Kanal ging als eines der letzten in Deutschland in Betrieb. Das Unternehmen plante es 2006 im Hinblick auf Rauchgas- und Abwasserreinigung sehr vorausschauend. Mit modernster Technik unterschreitet es bei Emissionen von Quecksilber (Hg) die Grenzwerte aus der Betriebsgenehmigung der Bezirksregierung Arnsberg vom 22. 11. 2013 deutlich.
Ab April 2016 gelten in den USA schärfere Vorgaben als in der EU angedacht: Kein Steinkohlekraftwerk darf dann im Monatsmittel mehr als ca. 1,4 µg Hg/m³, kein Braunkohlekraftwerk mehr als ca. 4,1 µg Hg/m³ emittieren.
Nur wenige Kohlekraftwerke in den USA senken NOx oder SO2 im Rauchgas. 2012 besaßen nach Angaben der US-Umweltagentur EPA 48 % der Kraftwerke eine Rauchgasentschwefelung.
Statt in DeNOx-Katalysatoren und/oder Rauchgaswäsche zu investieren, wählen viele Kraftwerksbetreiber den kostengünstigeren Weg, Quecksilberemissionen mithilfe chemischer Zusätze zur Kohle zu senken. Etwa Bromsalze. Diese fördern die Oxidation von Hg0 zu Hg2+. Dadurch lässt sich die Quecksilberfracht um gut 90 % senken, so die künftige VDI-Richtlinie 3927.
Kraftwerke ohne REA setzen Aktivkohle – auch bromiert – ein, um Hg mit Gewebe- oder Elektrofiltern mit dem Flugstaub aus dem Rauchgas zu entfernen.
Über den Luftpfad darf das Kraftwerk im Schnitt täglich bis zu 15 µg Hg/m³ freisetzen. Dabei registrieren die Messgeräte im Rauchgas am Kühlturm meist weniger als 1 µg Hg/m³. „Wir halten weit mehr als 90 % des Quecksilbers aus der Kohle zurück“, sagt Geschäftsführer Stefan Paul stolz. Nach der Großfeuerungsanlagenverordnung könnten es bis zu 30 µg Hg/m³ im Tagesmittel sein. Zum Entsticken des Rauchgases nutzt Trianel einen speziellen Katalysator.
Dem Kraftwerksbetreiber in Lünen machen daher auch die Grenzwerte, die in der EU diskutiert werden, keine Sorgen: Möglicherweise darf ab 2020 EU-weit kein Steinkohlekraftwerk im Jahresmittel mehr als 6 µg Hg/m³ und kein Braunkohlekraftwerk mehr als 10 µg Hg/m³ in die Luft abgeben.
Über den Wasserpfad darf das Kraftwerk bis 10 µg Hg/l Abwasser in die Lippe einleiten, die Jahresfracht ist auf 200 g Hg (= 2,3 µg/l) begrenzt. „Tatsächlich sind es meist deutlich weniger als 2,3 µg Quecksilber pro Liter“, weiß Paul. Zum Vergleich: Der 47. Anhang der Abwasser-VO zur Wäsche von Rauchgasen aus Feuerungsanlagen erlaubt bis zu 30 µg Hg/l. Der Trick: Trianel fällt aus dem Waschwasser der Rauchgasentschwefelungsanlage (REA) fast alle Schwermetalle inklusive Hg in einer zweistufigen Anlage aus und deponiert sie anschließend.
Es braucht Sachverstand, um Quecksilber wirksam aus Rauchgas und Waschwasser zu entfernen. Der VDI hat daher die VDI-Richtlinie 3927 zur Abscheidung anorganischer und organischer Spuren aus Abgasen von Verbrennungsprozessen überarbeitet. Der Verein erfasst darin erstmals detailliert Maßnahmen, wie sich die Quecksilberfracht senken lässt. Ende des Jahres soll die neue Richtlinie erhältlich sein.
Quecksilber ist speziell: Beim Verbrennen wird es in metallischer Form (Hg0) frei, im Kessel oxidiert ein Teil zu zweiwertigem Hg2+. Die Herausforderung ist, vor der REA möglichst viel Hg0 in Hg2+ umzuwandeln, da nur oxidiertes Quecksilber aus dem Rauchgas abzufangen ist: Während REA und Staubfilter fast kein Hg0 zurückhalten, wird Hg2+ zu mehr als 80 % in der REA ausgewaschen und gelangt ins Waschwasser. Ohne REA würden Kraftwerke zwei- bis fünfmal mehr Hg emittieren. Beträgt z. B. der Gehalt im Rohgas 10 µg Hg/m³, kann dieser durch die REA auf 2 µg/m³ bis 4 µg/m³ sinken.
Die Zusammensetzung der Kohle spielt eine Rolle: Ein höherer Schwefelgehalt hemmt die Umwandlung zu Hg2+, ein höherer Gehalt an Chlor- und Bromverbindungen fördert sie – ebenso wie DeNOx-Katalysatoren: An ihnen, die eigentlich Stickstoffoxide mit eingedüstem Ammoniak zu Stickstoff und Wasserdampf umwandeln, wird als erwünschter Nebeneffekt Hg0 oxidiert. Im Rauchgas erhöht sich der Hg2+-Anteil so auf mehr als 80 %. Die Quecksilberfracht in der Umgebungsluft aber senken die Kraftwerke mit diesen Kats und einer nachfolgenden REA um mehr als 70 %.
Diese katalytische Oxidation lässt sich mit Spezial-Kats wie dem Triple Action Catalyst (Trac) des Kraftwerkbauers Hitachi verbessern. Trac wandelt Stickoxide zu Stickstoff um, hemmt die Reaktion von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid, einem Stoff, der die Katalysatoren belegt und unwirksam machen kann, und oxidiert nach Angaben von Hitachi Hg0 zu Hg2+ wirksamer als normale Kats. Mit Tracs soll sich der Anteil an Hg2+-Gehalt im Rauchgas weiter erhöhen lassen, sodass die REA mehr Quecksilber auswaschen kann. Enthält 1 m³ Rohgas 10 µg Hg, kann der Quecksilbergehalt im Rauchgas auf unter 2 µg Hg/m³ sinken.
Den ersten Trac hat E.on im Steinkohlekraftwerk Staudinger in der Nähe von Hanau eingesetzt. Trianel folgte mit einem Trac im Lünener Kraftwerk. Doch eine hohe Umwandlungsrate von Hg0 zu Hg2+ führt nicht automatisch zu hohen Abscheidegraden. Darauf weisen die Fachleute hin, die die VDI-Richtlinie überarbeitet haben. Das Metall kann aus dem Waschwasser als Hg0 wieder ausdampfen. Die Emissionen im Rauchgas können so um bis zu 2 µg Hg/m³ steigen. Wie sich solche Re-Emissionen verhindern lassen, wird zurzeit erforscht. In Lünen kam der Effekt bisher nicht vor.
Auch klar: Quecksilber im Waschwasser soll möglichst wenig Flüsse belasten. Der VDI empfiehlt daher im Richtlinienentwurf mehrere Möglichkeiten, das Metall in der Rauchgasabwasserreinigung fast vollständig auszufällen und in Sondermülldeponien zu entsorgen.
Im Kraftwerk Lünen fällt Trianel das Metall mit anderen Schwermetallen in zwei Stufen aus. Viele Metalle werden erst bei neutralem, dann bei leicht basischem pH-Wert als Hydroxide ausgefällt – dann aber bleibt sowohl das meiste an Cadmium (Cd) als auch an Hg in der Lösung. Trianel fügt daher in der zweiten Stufe die Substanz 2,4,6-Trimercapto-s-triazin (TMT) hinzu. Damit lassen sich große Mengen Cd und Hg abscheiden. Trianel deponiert den metallhaltigen Schlamm beider Stufen.
Auch E.on und Steag erproben zweistufige Verfahren und deponieren nur die quecksilberreiche Fraktion. All diese Ansätze zeigen, dass das Waschwasser nur noch Spuren an Quecksilber enthält. E.on will im Steinkohlekraftwerk Heyden per nachgeschalteter Ultrafiltration weiteres Quecksilber zurückhalten.
Mehr Quecksilber im Waschwasser kann auch wirtschaftliche Folgen haben. So wird aus dem Waschwasser REA-Gips abgetrennt. Höhere Hg-Gehalte im Gips aber erschweren seine Verwendung in der Bauindustrie. Ingenieure mehrerer Energieversorger suchen Wege, damit der Gips möglichst quecksilberfrei bleibt. In Lünen etwa wird er auf einem Vakuumbandfilter mit frischem Wasser statt wie üblich mit Prozesswasser aus der REA gewaschen.
