ESC-10
JUNI 1981
BESTRIJDING VAN SO2 - EN NOX- EMISSIE
BIJ STEENKOOLVERBRUIK
R. BOSMA
K.A. DUIJVES
3
SDMMARY
This report diseusses the problems of abatement and control of $02 and
NO emissions from the use of coal for energy produetion.
x
Based on recent sources the major technical and economic features of
abatement and control technologies are describedo In addition the SO2 and
NO emissions resulting from new technologies such as fluidized bed comx
bustlon and gasification are discussed. In the section on SO2 control a
survey is given of the main flue-gas desulfurization technologies and
of the various methods for coal cleaning.
In the section on NO the formatlon of NO during coal combustion is asx
X
sessed and the factors which influence the concentration of NO in the
X
flue gas are discussed. Typical NO emissions of coal fíred boilers are
x
included.
It is concluded that SO2 flue gas control systems should be applied which
produce usabl~ by-products. NO emissions can be reduced to less than 300
x
ppm by combustion modiflcations. If even lower NO emission standards
X
are set mueh more expensive post-combustion flue-gas systems will be required.
KEYWORDS
SULFUP~DIOXIDE
NITROGEN OXIDES
POLLUTION ABATEMENT
POLLUTION CONTROL
COAL
FLUE GASES
DESULFURIZATION
ECONOMIC FACTORS
-4-
SAMENVATTING
Dit rapport gaat in op de stand van ontwikkeling, problematiek en kostengegevens van de emissiebestrijding van zwaveldioxyde en stikstofoxyden.
Er is zoveel mogelijk aan~luiting ~ezocht bij bestaande en recent gepublíceerde rapporten en artikelen welke overzichte~ geven van diverse onderzoekingen.
De bestrijding van de S02-emlssie is behandeld in de hoofdstukken 3 t/m
7; de bestrijding van de NO -emissie in de hoofdstukken 8 t/m 13.
Allereerst is ingegaan op de algemene problematiek van de S02-emissie,
het zwavelgehalte in de steenkool en de huidige en voorgestelde normen.
In hoofdstuk 4 is een overzicht gegeven van bestaande en in ontwíhkeling
zijnde rook~asontzwavelin~sprocessen, waarbij tevens is in~e~aan op de
kosten en de afvalproblematiek. Vervolgens is aandacht besteed aan de
kolenreiniging voor de verbranding. Tenslotte is ingegaan op de SO2emissies van in opgang komende conversietechnologieën als wervellaagverbranding en vergassing.
In het gedeelte over de bestrijding van NO -emissie wordt eerst kort inx
gegaan op de effecten en gevolgen van NO en de voorgestelde normen.
X
Hierna zijn de mechanismen behandeld die een rol spelen bij de vorming
van NO tijdens het verbranden van steenkool. Mogelijkheden tot beDerking
X
van de NO -emissie door be~nvloeding van het verbrandingsproces en de
verwijdering van NO uit rookgassen, worden vervolgens beschreven. Hierx
bij is ingegaan op de voor- en nadelen van diverse verwijderingsNrocessen.
Vervolgens is ingegaan op de NO -emissies van wervellaagverbranding, verx
gassing en liquefactie, waarbij ook de emissies in beschonwing zijn genomen t.g.v, de verbra~ding van de hierbij ontstane Drodukten.
Tenslotte zijn in het laatste hoofdstuk de kosten van de diverse NO x
beperkende maatregelen met elkaar vergeleken.
- 5 -
INHOUDSOPGAVE
BLZ.
SUMNARY
3
SAMENVATTING
4
I. CONCLUSIES
9
AANBEVELINGEN
14
S02-EMISSIE
15
3.1. Algemeen
15
3.2. Het zwavelgehalte
15
3.3. Normen
I6
3.4. Emissiebeperking
17
3°5. Het S02-beleid~kaderplan
3.6. Ontwikkelingen in het buitenland
18
22
ROOKGASONTZWAVELING
23
4.1. Algemeen
23
4.2. Stand der techniek
25
443°
4.2.1. Kalk- en kalksteen/slib processen
25
4.2.2. Double alkali/slib
25
4.2.3. Zeewaterreiniging
26
4.2.4. Kalk/gips en kalksteen/gips
26
4.2.5. Double alkali/gips
26
4.2.6° Verdund zwavelzuur/gips
27
4.2.7. Magnesium-oxyde
27
4.2.8. Reiniging met natriumsulfiet
27
4.2.9. Koperoxyde
27
4.2.10.Actieve kool
28
4o2.11oDry-scrubbing
28
Bijprodukten
35
~.4. Kosten
37
4,5. Slot
38
5. KOLENWASSING
40
4O
4O
4O
4!
5.1. Algemeen
5.2. Fysische wassing
5.3. Chemische wassing
5.4. Verwerking restprodukten van de fysische wassing
6
INHOUDSOPGAVE (vervolg)
5.5. Kosten van kolenwassing
BLZ.
42
5.5.1. Kosten van fysisch wassen
42
5.5.2. Kosten van chemisch wassen
44
5.6. Slot
44
WERVELLAAGVERBRANDING
47
47
48
48
6.1. Algemeen
6.2. Voor- en nadelen
6.3. Kosten
6.4. Afvalprodukt
VERGASSING
5O
7.1. Algemeen
5O
7.2. Toepassing
5O
7.3. Kosten en slot
52
N0 -EMISSIE
53
x
8.]. Algemeen
53
8.2. Normen
53
VORMING VAN STIKSTOFOXYDEN
56
DE BEPERKING VAN NO -VORMING IN HET VERBRANDINGSPROCES
60
10.1. Poederkoolketels
60
x
lO.l.1. Meertrapsbranders
64
I0. I.2. Gecombineerde NO~/SO2-ver~ijdering
66
10.2. Roosterketels
II. DE VERWIJDERING VAN STIKSTOFOXYDEN UIT ROOKGASSEN
69
70
11.1. Algemeen
70
11.2. Natte processen
70
11.2.1. Scrubbers zonder voorafgaande oxydatie van NO
71
11.2.2. Scrubbers met voorafgaande oxydatie van NO
71
11.2.3. Afvalprodukten van natte processen
71
11.2.4. Resumê natte processen
72
]1.3. Droge processen
73
11.3.1. Selectieve katalytische reductie met ar~noniak
73
II.3,2. Niet-katalytische reductie met armnoniak
73
I].3.3. Overige droge processen
74
7
INHOUDSOPGAVE (vervolg)
BLZ.
~2. NO -VORMING TEN GEVOLGE VAN ANDERE KOOLCONVERSIETECHNOLOGIE~N
x
12.1. FBC-installaties
75
75
12.2. Vergassing
75
12.3. Liquefactie
76
13. KOSTEN VAN NO -EMISSIEBEPERKENDE MAATREGELEN
x
13.1. Maatregelen voor wijziging van het verbrandingsproces
13.2. Verwijdering van N0 uit de rookgassen
x
79
79
80
]4. REFERENTIES
81
LIJST VAN AFKORTINGEN
85
- 9 -
1. CONCLUSIES
Voor berekeningen van een totale zwaveldioxyde-u~tstoot is het met de
huidige verwachtingen niet onrealistisch voor Nederland uit te gaan
van ]% S in steenkool. Volgens het (huidige) Besluit Zwavelgehalte
Brandstoffen is in dat geva! ontzwaveling niet vereist. De in de kolennota voorgestelde norm is equivalent met een zodanige mate van ontzwavelinz, dat de $O2-uitmorp ongeveer overeenkomt met 0,35% S in de steenkool.
Volgens het S02-beleidskaderplan zal de S02-emissie met een factor 2
tot 5 toenemen t.o.v, het huidige niveau, waardoor emissiebeperkende
maatregelen noodzakelijk worden. Deze maatregelen zijn mede vereist
tegen de achtergrond van internationaal overeengekomen afspraken.
Rookgasontzwavelingsinstallaties toezepast op kolenzestookte eenheden
zijn in veel gevallen onvoldoende bedrijfszeker, vooral indien zeer
hoge verwijdéringsrendementen gehaald moeten worden met geavanceerde
technieken. De technieken die voor Nederland het meest in aanmerking
komen, zijn het minst ver ontwikkeld.
- De hoeveelheid bijprodukt is asnzienli~k en komt bij de niet-regeneratieve rookgasontzwavelingsprocédés in dezelfde orde-grootte als de hoeveelheid as. Bij toepassing van wervellaagverbranding komt het afvalvolume niet lager dan 25 à 40% van de kolendoorzet. De stortkosten
hiervan zijn niet lager dan ca. f ~0;~- per ton afval, d.w.z, f 2,50
á f 4,-- per ton kolen, ofwel 0,3 ct/kW h.
e
- Naast het afvalprobleem (jaarlijks |50.000 à 350.000 ton afval per miljoen ton kolendoorzet) kent de bestrijding van luchtverontreiniging
nog de nadelen van:
- hogere lasten (0,5 à 1,2 ct/kWeh voor rookgasontzwaveling en ± 0,6 ct
voor katalytische NO -verwijdering);
-10-
- energieverlies (bij natte rookgasontzmaveling 2 - 8%);
- ruimtebeslag van de omvangrijke installatie.
Het toepassen van emissiebestrijdingstechnieken betekent veelal het
toepassen van een stuk wezenvreemde industrie.
- Een 600 ~e centrale welke kolen stookt met ~% S zal bij toepassing
van kalksteenslurrie rookgasontzwaveling met een rendement van 90%
jaarlijks 124.000 ton slib produceren. Bij storten tot 5 m hoogte komt
dit heer op een jaarlijkse behoefte van 3 ha grond. Bij |0 Mtske kolen
per jaar en een gemiddeld zwavelgehalte van 1,5% S is de opslag voor
slurrie 37,5 ha per jaar. Slurriesystemen hier te lande zijn dan ook
niet de eerst gewenste systemen.
- Een 50 tonsstoo~ketel met 5000 bedrijfsuren zal 2500 ton slib per jaar
2
produceren, ofwel 500 m opslag per jaar (5 m hoog). Bij HBC en 35%
afval wordt dat 9000 ton per jaar, ofwel 0,2 ha ~er jaar opslagterrein
(hoogte 5 m). Beperkingen van het afvalvolume zijn dan ook wenselijk.
Van de bestaande en in ontwikkeling zijnde rookgasontzwavelingsprocessen lijkt het sproeidroogproces het meest veelbelovend voor toepassing
in de industrie.
De investeringen liggen lager dan voor de natte processen, terwijl
een meer fle~ibele bedrijfsvoering mogelijk is.
Het afvalprodukt bestaat uit een droog poeder dat verwerkt kan worden
tot pellets die nuttig toegepast kunnen worden.
Bij de produktie van gips is het níet uitgesloten dat er een vervanging
gaat plaatsvíndan van fosfaatgips. Het stortprobleem blijft daarbij gelijk.
Bij de afweging van de keuze van een rookgasontzwavelingsprocédé spelen
de volgende factoren een rol:
stand van ontwikkeling (bewezen procédés)~
kosten;
vorming van bijprodukt Coq. afvalprodukt;
beschikbaarheid van grondstof;
tak van industrie;
vereist verwijderingsrendement en het zwavelgehalte van de brandstof;
energieverlie~;
landbeslag;
vermogen van de installatie°
- Door toepassing van rookgasontzwaveling daalt de betrouwbaarheid van
het gehele complex, ketel + rookgasontzwavelingseenheid. Door toepassing van een bypass bij het down-zijn van de rookgasontzwavelin~sinstallatie kan uiteraard niet aan de norm voldaan worden.
- Kolenwassing bij de mijn heeft als voordeel:
¯ besparing op transportkosten;
¯ betere opslagmogelijkheden van afval bij of in de mijn;
¯ verlaging van het zwavelgehalte;
¯ verlaging van het asgehalte.
- Bij fysische wassing vindt alleen verwijdering van zwavel in de vorm
van pyriet plaats. Door toepassing van een chemische wassing is een
verdergaande ontzwaveling mogelijk.
- De kosten van fysisch wassen zijn aanzienlijk lager dan van chemisch
- Voor Nederland wordt niet veel heil gezien in het hier te lande wassen
van kolen. Hooguit lijkt het zinvol na te gaan wat de mogelijkheden
inclusief wassen zijn van een centrale behandeling van kolen ter verkrijging van een gelijkmatiger kwaliteitsaanbod.
- Er zijn geen hergebruiksmogelijkheden bekend van het afval dat achterblijft na fysische wassing. Bij oDslag kan het afval:
¯ spontaan ontbranden;
¯ uitgeloogd worden.
- Alleen bij zeer hoge zwavelgehaltes (oosten van de VS met 3 - 4% S)
lijkt het zinvol kolenwassing als ontzwavelingstechniek toe te passen.
- Op korte termijn zal FBC voornamelijk toepassing kunnen vinden in onder
atmosferische druk bedreven industrleketels en voor stadsverwarming.
- Toepassing van FBC zal vooral mogelijkheden bieden indien uitgegaan
wordt van de toepassing van SO2-emissiebeperkende maatregelen. Vooral
onder die omstandigheden zou FBC in prijs concurrerend kunnen zijn met
nageschakelde rookgasontzwavelingssystemeno
- Voordelen van kolenvergassing zijn:
¯ besparing op transportkosten;
. centrale behandeling kolen en as;
¯ vanuit het oogpunt van de luchtverontreiniging mogelijkheden tot
relatief milieuvriendelijke conversie;
¯ het energieverlies Oij verwijdering van H2S uit de gasstroom is g~ring.
- Bij vergassíng wordt wainig "zwavel-houdend" afval gevormd, omdat H2S
uit de gasstroom wordt verwijderd. Zuivere zwavel wordt verkregen in
een Claus-installatieo
- Vergassingsinstallaties behoeven een groot ruimtebeslag.
De toepassing van middel- en hogedrukvergassing wordt alleen verwacht
in grote eenheden (> 500.000 ton kolen/jaar).
produktie
6,25
NOx per
kolen, uitgaande vanis
],5%
in de kool.
Bij gebruik
vankg
kolen
voorton
ondervuringsdoeleinden
de N
gemiddelde
NO x
Dit is opgebouwd uit 3,75 kg brandstof-NO en 2,50 kg thermisch-NO ,
De meest geëigende maatregelen om de emissie van NO te beperken zijn
x
gericht op het onderhouden van een relatief langzame verbranding, waarbij de piektemperatuur niet te hoog oploopt. Deze wijze van verbranding
is te verwezenlijken met speciaal ontwikkelde brander- en fornuisontwerpen, waarbij een getrapte verbranding wordt onderhouden. Met de
meest recente technieken kunnen NO -emissies worden teruggedrongen tot
ca. 0,09 kg/GJ of 150 ppm. Deze technieken bevinden zich echter nog in
een demonstratiestadium maar zijn aantrekkelijker dan nageschakelde
rookgasreiniging (goedkoper en minder afval).
Toepassing van nog strengere normen dan 150 ppm NO vereist in alle
x
gevallen nageschakelde rookgasreiniging.
De kapitaalskosten van deze rookgasreinigingsprocessen worden geschat
op f 150,-- tot f 400,-- per kilowatt gelnstalleerd elektrisch vermogen (1979 prijzen) 118[. Die van wijzizingen in het verhrandin~sproees
liggen ongeveer op ea. f 4,-- per kilowatt geínstalleerd elektrisch
vermogen ~201 127~ en 129~, ofwel ca. 0,04 ct/kWh (600 ~~ centrale).
e
e
NO -verwijdering uit rookgassen op basis van selectieve katalytische
x
reductie kost 0,6 ct/kWh (500 ~~ centrale)¯
e
e
Indien naast rookgasontzwaveling tevens nageschakelde NO -verwijdering
noodzakelijk is, verdient een proces met gecombineerde SO2/NOx-verwijdering de voorkeur.
Het LIMB (limestone injection/multístage hurner) systeem met een totale
-]3-
investering van f 30-68/kW zou dan (volgens EPA) in eerste instantie
e
in aanmerking komen wanneer het commercieel bewezen is. Dit proces is
vele malen goedkoper dan de rookgasprocessen terwij! het tevens gemakkelijker te insta!leren is, ook in bestaande installaties.
De processen die NO uit de rookgassen verwijderen, produceren ook afx
valprodukten. De natte processen hebben als belangrijkste afvalprodukt
nitraathoudend afvalwater. Dit afvalwater kan m.b.v, methanol en onder
inwerking van bacteriën in speciale ins~allaties omgezet worden in onschadelijke produkteno Hiermee zijn aanzienlijke kosten gemoeid.
Een afvalwaterbehandelingsinstallatie die de afvalwatercapaciteit van
een 200 MW plant kan verwerken, vergt een investering van f 1.200.000,-e
terwijl de jaarlijkse lasten ca. 0,06 ct/kWh bedragen [23~.
Wanneer de installatie in de nabijheid van een grote afvalwaterzuiveringsinstallatie was gelegen (cap. T00.000 inwoner-equivalenten) zou
men kunnen overwegen het afvalwater ~ierop te lozeno
Bij de processen die met an~oniak werken, verdwijnt de ammoniak die niet
gereageerd heeft rechtstreeks in de atmosfeer. Bij toepassing van een
scrubber zal de ammoniak in het afvalwater van de scrubber terecht-
komen.
- Een AFBC-installatie heeft vanwege de relatief lage bedrijfstemperatuur
een NO -emissie van ca. 300 ppm. Strengere eisen zouden ook hier nagex
schakelde NO -verwijdering noodzakelijk maken.
x
- Produkten, afkomstig van processen waarbij de steenkool direct gehydrogeneerd wordt, bevatten in vergelijking met de overeenkomstige petroleumprodukten veel stikstofo Zij dienen eerst met waterstof behandeld
te worden om bij verbranding tot aanvaardbare NO -emissies te komen.
x
- Vergassingsprocessen op zich veroorzaken geen NO -emissies. In een comx
plete vergassingsinstallatie zal bij het stoomopwekkingsproces NO gex
vormd worden. Deze hoeveelheid zal per ton steenkool in totaal echter
minder zijn dan bij verbranding (vergelijk ca. T~9 kg/ton versus ca.
6,25 kg/tOn) o Het geproduceerde gas zal bij verbranding vooral thermischNO vormen, waarbij de hoeveelheid toe zal nemen bij een hoge verbranx
dingswaarde van het gas. De absolute hoeveelheden liggen echter aanzienlijk lager dan bij de directe verbranding van steenkool.
2. AANBEVELINGEN
]. De strengere milieu-eisen en de daarvoor vereiste extra middelen
moeten worden bezien tegen de achtergrond van de lagere economische
bedrijvigheid en de beperktere mogelijkheden om deze extra middelen
op te brengen. Verruiming van de milieunormen voor de kleinere afnemers is noodzakelijk.
2. De voor Nederlsnd meest geschikte emissiebestrijdingstechnieken diehen gebruiksmogelijkheden te bieden voor het zeprodueeerde bijprodukt
of een gering stortvolume met zich mee te brengen. Het onderzoek naar
het hergebruik van de bíjprodukten dient met kracht gestimuleerd te
worden. Het onderzoek dient daarbij niet alleen gericht te zijn op
de huidige behoefte doch eveneens op de mogelijkheden voor uitbreiding
van de markt d.moVo het zoeken naar nieuwe toepassingen.
3. Het verdient sterk aanbeveling om het sproeidroog rookgasontzwavelingssysteem voor toepassing in Nederland op korte termijn te evalueren,
waarbij tevens de verwerking van het afvalprodukt wordt betrokken.
4. Bij het bevorderen van de introduktie van nieuwe technologieën zal het
beleid gericht dienen te zijn op de verwezenlijking hiervan. De opleiding van deskundigen verdient in dit verband ook meer aandacht.
5. Het is nuttig om de mogelijkheden na te gaan van as- en zwavelverwijdering uit kolen bij de mijn, gezien de ongunstige omstandigheden hier
te lande om afval te storten.
6. De NO -emissie is voor ca. 90% van natuurlijke herkomst. Daarom is
een selectief NO -beleid gewenst. Uitworpbeperkingen, gericht op enkex
le geconcentreerde industriegebieden, kunnen veel kosten bespareno
7. Verder onderzoek, gericht op brandermodificatie ter beperking van de
NO -uitworp, is noodzakelijk.
X
8. Het toepassen van extreme normen zal hoge investeringen vereisen.
Het verdient overwezing, extreme normen enigszins te verliehten, waardoor een aanzienlijke financiële besparing kan worden behaald.
15-
3. S02.-EMISSIE
3.1. Algemeen
Zwaveldioxyde (S02) is een onplezierig ruikend gas, dat bij een concentratie van meer dan I00 Dg/m3 al aanleiding kan geven tot ademhaling~ziekten zowel als tot aantasting van materialen.
Dit is echter niet de enige vorm waarin overlast mogelijk is.
Skandinavië ondervindt tijdens het smelten van de sneeuw veel hinder van
zwavelzuur, gevo~nd uit S02, waardoor het smeltwater jaarlijks aanleiding
geeft tot pH-dalingen van het oppervlaktewater van 2,5 à 3 I|~.
SO2 verdwijnt namelijk o.a. via sneeuwneerslag uit de atmosfeer en komt
in het voorjaar bij het smelten van de sneeuw (lager smeltpunt) in de
vorm van zwavelzuur in het oppervlaktewater. Doordat het oppervlaktewater een geringe buffercapaciteit heeft, verloopt de pH-daling sneller.
SO2 ontstaat door de binding van de in de brandstof aanwezige zwavelverbindingen met de toegevoerde zuurstof. Voor een eerste benadering van
de totale S02-emissie kan men ervan uitgaan dat alle zwavel wordt geoxydeerd. Voor de slechtere soorten steenkool blijft tot ca. 30% zwavel
achter, voornamelijk in de vorm van pyriet. Als gemiddelde kan aangehouden worden dat 95% van de aanwezige zwavel in SO2 wordt omgezet.
3.2. Het zwavelgehalte
Steenkool bevat zwavel in drie verschillende vormen ~2~:
- Organische zwavel
: Deze zwavel is homogeen verdeeld over de
koolstofmatrix. Verwijdering kan alleen plaatsvinden door chemische aantasting van het koolstofskelet.
- Sulfaat
Een klein gedeelte is aanwezig als ijzer- of
calciumsulfaat, max. ca. 0,1%o Deze geringe
hoeveelheid is niet van belang.
- Pyriet (ijzerdisulfide) : Pyriet is op vele manieren gedispergeerd in
kool; een gedeelte is aanwezig als kleine bolletjes (I0-I00 ~m) en homogeen verdeeld over
de kool, terwijl ook stukken met een grootte
van 5-30 cm voorkomen.
16-
Deze pyritische zwavel kan m.b.v, fysische
wastechnieken verwijderd worden. Hierbij is
de verdeling van pyriet in de kool en de
grootte van de kool zeer belangrijk.
Het zwavelgehalte in Steenkool varieert nogal over de aardkorst, maar
het merendeel der kolen heeft een zwavelgehalte in de buurt van I% S
(gew. proc.). Voor de landen met grote potentiële kolenleveringsmogelijkheden is het gehalte hierna weergegeven. De gegevens van de Australische
kolen wijzen op laagzwavelige kolen, met een variabel zwavelgehalte, dat
in de buurt van 0,0 - 0~7% S zal liggen. De Canadese kolen Oezitten vooral in het Westen een laag zwavelgehalte (0,~ - |,0% $), met een hoger gehalte in het Oosten ([,5% S in het belangrijkste gebied). Voor Polen geldt
dat in het algemeen het zwavelgehalte beneden I% zal liggen, terwijl voor
Zuidafrikaanse kolen 0,25 - 1,0% S aangehouden kan worden. Het zwavelgehalte van de Amerikaanse steenkool is goed onderzocht. Van de kolen in
het Oosten heeft het merendeel meer dan 1,0% S, nl. I - 3% S. De kolen
in het Westen hebben hoofdzakelijk een zwavelgehalte lager dan I% [3I.
3.3. Normen
Rookgasemissies in Nederland vallen onder de Wet inzake de Luchtverontreiniging; een vergunning voor installaties wordt door Gedeputeerde
Staten van de Provincie afgegeven. De normen zijn alleen kwantitatief
m.b.t, het zwavelgehalte (Besluit Zwavelgehalte Brandstoffen: 1,5% S
voor kolen). Voor andere componenten bestaan geen wettelijke normen. Er
zijn echter wel door de Gezondheidsraad voor sommige componenten aanbevelingen opgesteld t.a.v, maximale concentraties op grond~iveau. Voor de
S02-uitworp wordt daarnaast een emissieplafond van 500.000 ton per jaar
nagestreeft.
In de Kolennota [32~ wordt een S02-emissieniveau van 230 ~/GJ als jaargemiddelde aangegeven met een momentaan maximum van 280 g/GJ voor alle
nieuw te bouwen koleninstallaties. Dit is equivalent met een gemiddeld
zwavelgehalte in de brandstof van ca. 0,35%, met een maximum van 0,42%.
Overwogen wordt deze emissienormen bij a;m.v.b, op te nemen in de Wet
inzake de Luchtverontreiniging.
17-
3.4. Emissiebeperking
Voor de beperking van de S02-emissie, afkomstig van de kolenconversie,
komen een aantal methoden in aanmerking die echter niet alle op korte
termijn in Nederland inzetbaar zijn:
I. Rookgasontzwaveling;
2o Kolenwassing;
3. Fluid bed verbranding;
4o Kolenvergassing.
In de volgende hoofdstukken zal voor deze technieken een overzicht worden gegeven van de onderwerpen:
- stand van ontwikkeling en introductie;
- voor- en nadelen;
- kostprijs;
- toepassing in Nederland°
Er zal, in relatie tot S02-emissiebeperking, verder geen uitvoerige aandacht besteed worden aan:
a. liquefactie;
b. lozing door hoge schoorstenen~
c. gebruik van zwavelarme brandstof.
ad a. Omzetting van steenkool in vloeibare brandstoffen (liquefactie).
Deze processen hebben als bijzondere eigenschap dat de waterstof/
koolstofverhouding toeneemt d.m.v, toevoeging van waterstof of
onttrekking van koolstof. Processen als het SRC-proces (Solvent
Refined Coal) brengen een asvrije, zwavelarme brandstof voort.
Extra veiligheidsproblemen kunnen ontstaan vanwege de carcinogene
eigenschappen van de vloeistof, waardoor de toepassingsmogelijkheden beperkt blijven tot grote ketels. Voor Nederland wordt voor het
jaar 2000 geen liquefactie-installatie verwacht [8~o
ad b. Lozing door hoge schoorstenen betekent met de vele lozingspunten
van tegenwoordig niets anders dan een verplaatsing van het probleem.
De verblijftijd van S02 in de atmosfeer bedraagt hooguit enkele
dagen, waana het weer op de aarde terugkeert. Door nu door hoge
schoorstenen te lozen, wordt alleen bereikt dat de neerslag plaatsvindt in een verder weg gelegen gebied. Het is wellicht voor een
-
eiland als Engeland een oplossing, voor het continent zeker niet.
ad c. Door het gebruik van zwavelarme brands~of (aardgas) heeft Nederland
momenteel een in verhouding zeer lage S02-emissieo Echter door na
alle zwavelarme brandstof te gebruiken, wordt het probleem als zodanig slechts in de tijd vooruit geschoven. Na het opraken van
zwavela~~e brandstof blijft er slechts zwavelrijke brandstof over.
Ook is niet voor iedere afnemer laagzwavelige keel beschikbaar.
3.5. Het S~2-beleidskaderplan I[I~
Het S02-beleidskaderplan geeft aan dat, afhankelijk van de economische
groei, de totale S02-uitworp in Nederland in het jaar 2000 gestegen zal
zijn tot het twee- à vijfvoudige van de huidige uitworp, d.w.z, tot
1000 ~ 2500 miljoen kg SO2 per jaar° De per jaar gemiddelde concentratíe
zal dan op bepaalde plaatsen, in bijvoorbeeld het Rijnmondgebied, zijn
toegenomen van ca. ~00 tot 250 â 300 microgram/m3o Deze ontwikkeling ma~~t
het intensiveren van het beleid tot bestrijding van de S02-verontreiniging,
aldus het SO2-beleidskaderplan, op de korte en lange termijn zeer urgent°
De lagere overheden kunnen bij de uitvoering van hun taak, hetzij in het
kader van de Wet inzake de Luchtverontreiniging, hetzij in het kader van
de Hinderwet~ duidelijk inzicht krijgen in hetgeen door de Regering wordt
nagestreefdo Dit zal bijvoorbeeld kunnen leiden tot previnciale, regionale en gemeentelijke bestrijdingsplannen binnen de door de rijksoverheid
te stellen grenzen0 De uitwe~king van dit beleid op korte, middellange
en lange termijn vindt plaats in het ~02-beleidskaderplan (vervolg op
het IMP-lucht).
In het kader van de Organisatie voor Economische Samenwerking en Ontwikkeling is het principe aanvaard dat het land waar de verontreiniging vandaan komt, de door hem veroorz~akte grensoversehrijdende verontreinlging
in be~insel op dezelfde wijze zou dienen aan te pakken als de verontreiniging van zijn eigen grondgebied (non-discriminatiebeginsel).
Dit betekent dat de S02-uitworp in Nederland ook moet worden beoordeeld
aan de hand van het grensoverschrijdende karakter en de daarmee samenhangende effecten op internationale schaal.
Met de aannames gesteld in Tabel 3o~. is de totale jaarlijkse S02-uitworp
berekend, waarvan de resultaten zijn weergegeven in Figuur 3.~.
-19-
Over de globale strekking van de nog op te stellen toekomstige bestrijdingsprogramma’s wordt in het plan nog het volgende opgemerkt: voor de
periode tot 1985 zal vooral een gefaseerde verlaging van het zwavelgehalte van brandstoffen in de bestrijdingsprogramma’s aan de orde komen.
Het maximum zwavelgehalte van vaste brandstoffen - thans 1,5% - dient
volgens dit plan ook gefaseerd verlaagd te worden° Op het moment ligt,
mede vanwege het huidige kolenaanbod op de wereldmarkt en bij het relatief geringe aandeel van kolen in het brandstoffenpakket, het feitelijk
gemiddelde zwavelgehalte van de aangeboden kolen al ruim beneden de 1,5%.
Als aanvulling op het beleid ter beperking van de totale uitworp is een
beleid ter beheersing van de luchtkwaliteit van plaats tot plaats noodzakelijk. Dit kan worden onderverdeeld naar het zonder meer inzetten van
zwavelarme brandst~ffen op die plaatsen waar daaraan het meeste behoefte
bestaat en het tijdelijk inzetten van zwavelarme brandstoffen daar waar
de tijdelijke omstandigheden daartoe aanleiding geven. In dit verband
is de inzet van het zwavelarme aardgas uitermate van belang IiI[.
Scenario
A
B
C
D
Macro-econ. groeiI
matig tot hoog
matig tot hoog
laag tot hoog
laag tot hoog
1977 - 1985
3,4
3,4
2,9
2,9
1986 - 1990
3~0
3,0
2,1
2,1
1991 - 2000
3,3
3,3
2,1
2,1
Sectorstructuur
ongewijzigd2
ongewijzigdz
ongewijzigd2
~ardgas
verwacht aanbod3
nadruk op tertiaire
en kwartaire sector
verwacht aanbod3
Kernenergie
uitbreiding met 3000
MWe na 1990
Nota Energiebeleid
1979
Energiebesparing
verwacht aanbod3
geen uitbreiding
geen uitbreiding
uitbreiding met 3000
MWe na 1990
Energienota ’74
Nota Energiebeleid
1979
Nota Energiebeleid
1979
iGemiddelde jaarlijkse groei (in %) van de totale bruto toegevoegde waarde van bedrijven.
2M.n.v. verschuiving binnen de sector ~hemie naar meer hoogwaardige verwerkin~.
3Cf. Plan van Gasafzet 1978.
Tabel 3.1. Algemene kenmerken van de SO2-ultworpscenarlo s
oog
O00L
0oo~
- 22 -
3.6° Ontwikkelingen in het buitenland
In Japan wordt~ door toevoeging van een oxydatiestap, als eindprodukt
voornamelijk gips geproduceerd~ in de U.SoAo wordt het slibachtige
calciumsulfiet-sulfaatmengsel, al dan niet gest~biliseerd, gedumpt.
Een overzicht van in gebruik zijnde ontzwavelingsinstallaties in de
VoSo laat zien dat in de elektriciteitssector de calciumsystemen overheersen (88% van de ge~nstalleerde systemen). In de industrie gaat de
voorkeur uit naar systemen die gebaseerd zijn op natrium (85% van de
gelnstalleerde systemen). Enkele redenen voor de versohillen zijn:
a. Het verschil in grootte bij de toepassingen.
Het gemiddelde vermogen dat behandeld wordt in een centrale is 350
MWe en in de industrie 20 MWth. Vanwege de grote hoeveelheid rookgas
bestond er in de elektriciteitsseetor behoefte aan systemen geschikt
voor een goedkoop materiaal en tevens met een afvalprodukt dat op
eenvoudige wijze verwijderd kon worden. Kalk en kalksteen voldoen
aan deze voorwaarden. In de industrie zijn de rookgashoeveelheden
aanzienlijk lager met vaak hogere S02-concentraties. Veel van deze
installaties gebruiken daarom de effieiëntere en schonere op natriumgebaseerde scrubber proeessen.
b. Industrieën hebben vaak al natriumbevattende afvalstromen, zodat de
afvalstroom van het FGD-proces geen extra moeilijkheden oplevert.
Daarenboven is de industrie meestal meer vertrouwd met de bedrijfsvoering van een wat complexer chemisch proces dan de utiliteitssector.
Men heeft in deze laatste sector nu een aantal jaren ervaring met
kalk- en kalksteenprocessen en men is niet snel geneigd op iets anders
over te stappen ~131.
Voor een ander type proces, nl. het "double alkali process", waarbij
uiteindelijk ook gips of slib ontstaat, moeten in de U.S.A. de eerste
commerciële eenheden van meer dan 100 MWe nog van start. In Japan zijn
reeds enige grote eenheden in bedrijf, welke gips als bijprodukt overhouden.
De belangstelling in beide landen voor zogenaamde regeneratieve processen
in de utiliteitssector is klein° In beide landen bestaan slechts enkele
commerciële installaties van enige omvang. Als redenen hiervoor kunnen
onder meer worden aangegeven: de financiële consequenties, de vrees voor
zeer complexe installaties en de stand van de ontwikkeling. Met name de
elektriciteitsbedrijven hebben behoefte aan betrouwbare, bewezen processen,
- 23 -
4. ROOKGASONTZWAVELING
4.1o Algemeen
Hoewel de eerste rookgasontzwavelingsprocédés al van 1930 dateren, is
het onderzoek pas aan het eind van de zestiger - begin zeventiger jaren
echt op gang gekomen. Met name in Japan en de Verenigde Staten werd er
veel aandacht aan besteedo
Vooral in het begin traden grote problemen op bij de procesvoering; een
aantal daarvan zijn overwonnen. Er zijn nu vooral belangrijke ontwikkelingen te verwachten op het terrein van de regeneratieve processen.
Gebaseerd op zowel gesprekken met Amerikaanse deskundigen als op literatuurinformatie, bestaat de indruk dat de beschikbaarheid en betrouwbaarheid van veel bestaande installaties lager is dan vermeld in officiële
overheidsrapporten. Een voorbeeld hiervan is een rapport van de Utility
Air Regulatory Group, welke in de V.S. de uitspraken van de EPA met betrekking tot betrouwbaarheid bestrijdt ~101. Bij overgang op rookgasontzwavelingssystemen zal derhalve een brede oriëntatie noodzakelijk zijn,
welke meer inhoudt dan literatuurstudie. Grote problemen worden door de
Utility Air Regulatory Group verwacht bij toepassing van zeer hoge verwijderingsrendementen, met name toa.v, de haalbaarheid, hoge beschikbaarheid en kosten. De grootste problemen verwacht men hier bij de zeer hoge
zwavelgehaltes, hetgeen een specifiek Amerikaans probleem is ]I0[.
In grote lijnen zijn er drie principes te onderscheiden voor de ontzwaveling van rookgassen (zie Tabel 4.I.), nl.:
I. Wegwerpprocédés, waarbij het bijprodukt als afval wordt behandeld.
2. Gipsproducerende procédês, welke speciaal ontworpen zijn om gips van
een zodanige kwaliteit te produceren dat het als vervanger van natuurlijk gips of als een stabiel afvalprodukt met goede storteigenschappen
kan dienen.
3. Regeneratieve procédés, welke SO2 in geconeentreerde en bruikbare vorm
aan de rookgassen onttrekken.
Zowel in Japan als in de VS is, voor toe~assin~ og ~rote schaal in
de elektriciteitssector, het merendeel van de processen gebaseerd op
wassen met een kalk- of kalksteenslurrie.
- 24 -
Recent ~~p commerciële sehaal in bûdrijf
gekomen on industriële ketels met ko]en-
4. Zeewaterreiniging
Verdunde
sulfaat
O~ commarciële schaal in bedrijf
klainc ol~egestookte ketals (Noorwegên)
o0]ossing
O~ commercië]e schaal in bedrijf
(olie en ko]ên) voora] in Japan
(1973)
(]972)
SO2
O~ commerciële schaal in bedrijf o. oliege-
Ook o~ olieraffinadêrijen
On commerciële schaal in bedrijf op oliege-
(]970
I;, Aktieve kool
SO2
Op demonstratie-schaal
so2
OD demonstratle-schaal
(1973)
Tabel 4.1. gangbare rookgasontzwavelingsprocédés 14~
- 25 -
De produktie van grote hoeveelheden slib of ander afval in Nederland
en het storten van het al dan niet gestabiliseerde slib moet als zeer
problematisch worden beschouwd. Bodemverontreiniging na het storten is
een belangrijke belemmerende factor. Onder de omstandigheden zoals deze
zich in Nederland voordoen is men meer gebaat met minder volumineus
afval of gebruik van de bijprodukten: zwavel, vloeibare zwaveldio~yde,
zwavelzuur en eventueel gips 121. De rookgasontzwavelingssystemen die
hiervoor in aanmerking komen zijn echter juist die systemen die het
minst in de praktijk bewezen zijn. Voor de meer geavanceerde procêdés
waarin recirculatie van absorbens plaats vindt, geldt als nadeel een
grotere gevoeligheid voor steenkoolkwaliteit. In het navolgende wordt
ingegaan o~ knelpunten en kosten.
4.2. Stand der techniek
~.2.1. Kalk- en kalksteen/slib ~rocessen
De eerste problemen waarmee men met deze wijze van rookgas ontzwavelen
geconfronteerd werd waren het optreden vanverstoppíngen door een afzet~ing
van Ca-zouten en corrosie. Hoewel anders dan verwacht, werden oplossingen
voor de opheffing van deze problemen hier niet zo zeer gevonden in een
technologische doorbraak doch in de opzet van een nauwgezet ontwerp.
Corrosieproblemen zijn teruggebracht door meer gebruik te maken
van coatings en roestvrije staalsoorten.
Yerstopping en gipsafzetting zijn bestreden door meer aandacht te besteden aan het procesverloop zelf; de vorming van calcium-sulfaat door
oxydatie en de pH zijn hierbij kritisch gebleken.
Hoewel veel problemen overwonnen zijn, is de bedrijfszekerheid in vele
gevallen nog niet optimaal° Nog steeds zijn er installaties die rege!matig stopgezet moeten worden omdat ze blijvende hinder ondervinden van
afzetting, verstopping en erosie.
4.2.2. Douhle alkali/slib
Tenei~de de afzettings- en erosieproblemen te vermijden, die met kalk/
kalksteen systemen kunnen optreden, is het dubbel alkali systeem ontwikkeld. Het geheel is erg flexibel t.a.v, variatie in S02-aanvoer,
- 26 -
De scrubbers zijn van een aanzienlijk eenvoudiger ontwerp en de potentiële kansen op afzetting, verstopping en erosie, zoals bij kalk/kalksteen/slurrie systemen, zijn niet aanwezig. Verder zijn de scrubbers
kleiner omdat de overdracht van SO2 uit de rookgassen aan de vloeistof
veel sneller geschiedt.
Bij storten van het CaSO3/CaSO~-slib moet rekening worden gehouden met
het uitlogen van oplosbare natriumzouten.
4.2.3. Zeewaterreiniging
Zeewaterreiniging is gebaseerd op het gebruik van de al van nature aanwezige alkaliteit van zeewater voor de absorptie en neutralisatie van
S02¯
De toepassingsmogelijkheid van zeewaterreiniging voor Nederland zal
sterk afhangen van de toelaatbare concentratie van de verontreinigingen
in zeewa~er. De drie installaties in Noorwegen (50 MWe totaal), waar
dit procédé tot nu toe slechts is toegepast, stoken olie. Het is niet
ondenkbaar dat de grotere onzuiverheíd van steenkool t.o.v, olie de toepassing op steenkolengestookte eenheden in de weg zal staan; het proces
is echter zeer goedkoop° Door gebruik te maken van daartoe geschikte
plastic ¢oatings heeft men de corrosieprohlemen onder controle gekregen.
4.2.4. Kalk/gips en kalksteenigips
Bij deze processen kunnen zich tijdens bedrijf dezelfde moeilijkheden
voordoen als bij de kalk/kalksteenslib processen tow. gipsafzettingen,
verstoppingen en corrosie-erosie. Daarnaast kan in het bijzonder bij
het stoken van kolen het chloride gehalte van de wasslurrie tot ongewenste hoogte oplopen (corrosie, chloride gehalte gipe). Dit maakt een
regelmatige afvoerstroom noodzakelijk.
In de regel heeft dit afvalwater een hoog C.OoD.-gehalte~ (aanwezigheid
van dithionaat) en het bevat zwevende stof en mogelijk zware metalen;
factoren die een waterzuiveringsinstallatie nodig kunnen maken°
4.2.5, Double alkaliZ~~~~
De kwaliteit van het geprodueeerde gips is beter dan het gips afkomstig
van directe kalk en kalksteenabsorptie. Het systeem vereist een relatief
lage vloeistof/gas verhouding in de scrubber, terwijl een hoge vliegasconcentratie mogelijk is.
Chemical Oxygen Demand (= Chemische Zuurstof Behoefte)
- 27 -
4.2.6. Verdund zwavelzuur~~~~~
Verdund zwavelzuur systemen vereisen vliegasverwijdering tot bijna 100
procent teneinde de vorming te voorkomen van onoplosbare zwavelverbindingen
welke de absorber kunnen doen dichtslibben. Doordat met een hoge vloeistof/
gasverhoudlng gewerkt moet worden, is het energieverbruik vrij hoog.
Er is eveneens een afvalwaterzuivering noodzakelijk.
Een groot voordeel is de relatief eenvoudige bedrijfsvoering.
4.2.7.
In het begin heeft d~t procédé te kampen gehad met problemen van voornamelijk mechanische aard. De meeste zijn weliswaar opgelost, maar toch
zijn enkele demonstratieprogramma’s in de V.S. stopgezet. Omdat het systeem slechts een minimale hoeveelheid zuiver magnesiumoxyde en water
vereist, komen eventuele beperkingen niet uit deze hoek. Bij het stoken
van kolen is een grondige vliegasverwijdering noodzakelijk.
4.2o8. Reini$!~$~met natriumsulfiet
Enkele voordelen van dit zogenaamde Wellman-Lord systeem zijn:
- geen afzettingsproblemen;
- hoog verwijderingsrendement;
- lage vloeistof/gas verhouding.
Nadelen zijn o.a. de hoge graad van vliegasverwijdering en chlorideverwijdering welke noodzakelijk is, het zeer grote stoomverbruik bij de
regeneratie en het feit dat twee bijprodukten t.w. Na2SO~ en SO2 worden
gevormd.
4.2.9. Koperox~~de
Dit procédé maakt gebruik van koperoxyde (CuO) om SO2 uit rookgas te
verwijderen~ Bij verzadiging van de CuO met SO2 worden de rookgassen
naar een parallel opgestelde reactor geleid, waarin m.b.v, waterstof de
CuO wordt teruggewonnen en SO2 bev~ijdo De aanwezigheid van een waterstoffabriek is derhalve vereist. Er kunnen een aantal storende nevenreacties plaats vinden. Boven 425°C kan oxydatie van SO2 tot SO~ plaats
vinden. De absorptie aan het CuO is dan niet meer volledig. Bij de regeneratie kan CuS ontstaan, wat een vergroting van het waterstofverbruik
veroorzaakt.
- 28 -
Er zijn altijd twee reactoren nodig: één die in bedrijf is voor absorptie van SO2 en één die wordt geregenereerdo Om een regelmatige toevoer
van $02 naar de zwavelzuur- of zwavelfabriek te garanderen is een opslagmogelijkheid voor SO2 afkomstig uit de regeneratiestap, die betrekkelijk
snel wordt uitgevoerd~ wenselijko In principe is dit systeem in staat
om niet alleen SO2 te verwijderen, maar ook NO . Dit is mogelijk door
x
toevoeging van ammoniak aan de reactor, waardoor tot 70% van de NO
x
verwijderd kan worden. Het is voor dit procédé de enige mogelijkheid om
te kunnen concurreren met de conventionele rookgasontzwavelingstechnie-
4.2.]0. Actiev~. kool
Nadelen van dit proces zijn onder meer de hoge kosten van de actieve
kool en de zeer omvangrijke installaties. Als voordelen kunnen worden
genoemd dat geen herverhitting nodig is, dat potentieel de mogelijkheid
van NO -verwijdering aanwezig is en dat vliegas eveneens wordt verwijderd.
x
~.2.11.
Een geheel nieuwe ontwikkeling op het gebied van de rookgasreininging is
het dry-scrubbing systeem (zie Fin. 4.1). Een slurrie bestaande uit geb]uste
kalk, vliegas en water wordt via een atomizer als een nevel in het scru~bervet gebracht waar het reageert met SO2 tot CaSO3 en CaSO~ dat in droge
vorm de wand van de absorber bereikt. Deze poeder wordt in een filterinstallatie afgevangen. Op deze wijze wordt’via twee mechanismen SO2
verwij derd, namelijk:
- in de scrubber via een gas/vloeistofproces;
- in de filterinstallatie via een gas/vaste stof proces (kalk).
Het proces is niet alleen goedkoper dan de huidige natte procédés,
doch tevens is herverhitting van de rookgassen overbodig. Daarnaast biedt
de bedrijfsvoering meer flexibiliteit. Net dry-scrubbing proces is vanwege de boven~enoemde aspecten veelbelovend voor industriële toepassing.
DRY SCRUBBING
ROOKGASSEN
SCHONE ROOKGASSEN
SPROEIDROGER
ZAKKENFI~ER
VOEDINGS
REAGENS
POEDER &VLIEGAS
SO2 ABSORPTIEMIDDEL
AFVAL
GEDEELTELIJKE RECYCLE
Figuur 4.]. Schema dry-scrubbing systeem
- 30 -
Er bestaan drie alkalische reagentla welke een voldoende activiteit hebben om SO2 te verwijderen: natriumcarbonaat (Na2CO3) natriumbicarbonaat
(NaHCO3) en kal~ (CAO). Als gevolg van de hoge ~~osten van de natriumprodukten en de hoge o~losbaarheid van de natriumhoudende afval~rodukten
verdient ongebluste kalk de voorkeur. De reactieprodukten en de nietgereageerde kalk worden vervangen door een ESP of een zakkenfilter. Een
zakkenfilter is de beste keus vanwege de extra SO2-verwiídering in het
filtero Een gedeelte van het afvalprodukt wordt gewoonlijk gerecirculeerd
om het kalkverbruik te verbeteren°
In de VS zullen eind ~983 bij negen centrales en bij drie industrieën
dergelijke systemen in bedrijf zijn (zie tabel 4.2°).
Een van de belangrijkste aspecten van het dry-scrubbing proces is de
hoogte van het SO2-verwljderingspercentage en de overeenkomstige stoíchiometrische verhouding kalk!SO2. In pilot plants zijn onder gunstige omstandigheden verwijderingspercentages van meer dan 90% gedemonsteerd bij
stoichiometriscbe verhoudingen lager dan 2:1. In de praktijk zal dit pereentage echter op ca. 80% komen.
Het verbruik aan kalk is sterk afhankelijk van het voehtgehalte in de
rookgasseno Naarmate de kalkdeeltjes langer vochtig blijven wordt de
reactie met SO2 comDleter. De deeltjes dienen aan de uitlaat droeg te
zijn om verstopping van het zakkenfilter te voorkomen, zodat de uitlaattemperatuur boven het dauwpunt moet liggen. Bij de eerste ontwerpen werd
uitgegaan van een temperatuurverschil ten opzichte van het dauwpunt van
tenminste 28 °C (ca. 50 oF). Om het vochtgehalte in de rookgassen hoog
te houden en zodoende het kalkverbruik te vermínderen is het verschil
tot het dauwpunt verlaagd tot minder dan 11 °C (ca. 20 oF). Een nog kleiner temperatuurverschil zou herverhitten van de rookgassen noodzakelijk
maken vanwege condensatie met als gevolg zure corrosie in de schoorsteen
en een gebrek aan stijgkracht van de rookgassen.
De alkaliteit van de as heeft ook een belangrijk effect op de sto~chiometrische verhouding. Een hoge alkaliteit van de as vereist minder kalk
en maakt het proces economisch aantrekkelijker.
CENTRALE/BEDRIJF CAPACITEIT (M~~e)
BASIN ELECTRIC
VERWIJDERING$
KOOL TYPE RENDEMENT
REAGENS
START-UP
DATIFM
LEVERANCIER
440
Bruinkool
(0,68-0,81%S)
62/78%
Kalk
500
Bruinkool
(0,54-0,81%S)
85/90%
Kalk
4/82
Babcock & Wilcox
410
Bruinkool
(0,6-2,2%S)
80/85%
Na2CO3
5/81
Rockwell/
Wheelabrator-Frye
61%
61%
Kalk
Kalk
5/85
6/87
Joy/Niro
Joy/Niro
II/81 Joy/Niro
Antelope Valley No. I
BASIN ELECTRIC
Laramie River No. 3
OTTER TAIL POWER
Coyote No. I
TUSCON ELECTRIC
Springerville No. I
350
Springerville No. 2
350
Subbitumineus
(0,69%S)
PLATTE RIVER POWER
250
Subbitumineus
UNIT~D POWER
Kalk
1/85
Joy/Niro
Bruinkool
63
73%
Kalk
9/82
Researeh-Cottre~l
(0,77%S)
Stanton No. 2
MARQUETTE
POWER & LIGHT
70%
(0,29%S)
Rawhide Noo 1
44
~ubbitumineus
70%
Kalk
10/82
Onbekend
450
Bitumineus
(0,7%S)
75%
Kalk
II~83
Babcoek & Wilcox
14 (est.)
ca. 35 MW~h
22 (est.)
ca. 55 ~iWth
Bitumineus
(0,75~3,0%S)
Bitimineus
(1,0-2,0%$)
75%
Kalk
7/79
85%
Kalk
12/79
70%
Kalk
9/8]
Shiras No. 3
COLORADO~UTE
ELECTRIC
Craig No. 3
STRATI~MORE PAPER
CELANESE PAPER
UNIVERSITY OF
MINNESOTA
83 (est.)
Subbitumineus
(0,6-0,7%S)
Tabe! 4.2. Contr~cten voo~ dry-scru~Ein# systemen ~29[ (per I-6-1980)
Mikropul
Rockx~yell/
~~~eelabrator-Fr~e
Carborundum
- 32 -
Babcock & Wílcox heeft een test uitgevoerd waarbij de reactiviteit van
de vliegas bepaald werd, door voor verschillende koolsoorten alleen water
als sproeimiddel te gebruiken. De resultaten worden getoond in Figuur
4.2° Het blijkt dat de verwijdering van SO2 zowel afhangt van de alkalitelt van de as als van het te~~eratuurverschil met het dauwpunt.
Het afvalprodukt bestaat uit niet-omg~zette kalk, calcinmsulfiet en
calciumsulfaat samen met vliegas. Referentie 1301 geeft als voorbeeld
voor de samenstelling van het afval:
CaSO4 . ½H20
8,9%
CaSO3 . ½H20
]4,6%
CaCO3
CaO
2,1%
H20
1,3%
Vliegas
1,6%
7~,5%
De niet-gereageerde ka!k heeft een gunstige invloed op de stabiliteit
van het afvalprodukt. In de VS wordt het gebruikt als "landfill". Wanneer een natriumprodukt als reagens is gebruikt, is dit in verband met
uitloging niet mogelijk. Het afval dient dan in een afgeschermde stortplaats gedumpt te worden.
Een van de belangrijke voordelen van dit systeem is de relatief lage investering. Deze bedraagt f Ig0/kW tot f 240/kW voor de sDroeidroger,
e
e
inclusief de zakkenfilterinstallatie. De vergelijkh~re kosten voor een
kalksteen-scrubber met een ESP bedragen ca. f 230/kW tot f 350/kW o
e
e
Ook de kosten voor de bedrijfsvoering en onderhoud zijn goedkoper dan
bij een nat proces.
Een nadeel zijn de hoge reagenskosten. In Tabel 4.3. worden deze kosten
van dry- en wet-scrubbing vergeleken voor verschillende zwavelverwijderingspercentages van oostelijke en westelijke ateenkool in de VS. In
Figuur 4.3. worden de totale jaarlijkse kosten als functie van het zwavelgehalte in de kool getoond. Hieruit blijkt dat voor kool uit het
westen van de VS dry-scrubbing altijd de meest economische keus is. Voor
oostelijke kool ligt het breakpunt bij ca. 2,7% S 1291.
Door EPA en DOE worden verschillende dry-scrubber onderzoek~rojecten
subsidieerd.
Een voor Nederland interessant project is de IO0 MW regenereerbare drye
scrubber bij de Niagara-Mohawk Huntley centrale. Bij regeneratie van het
,r
- 33 -
45
30
25
\
2O
10
Figuur 4.2.
20
30
40
50
60
Zwavelverwijdering als functie van de alka]iteit van de as
0
0
2,0
516 860 1.289 1,719 2,579. 5,157 ng S02/J
1,2 2,0 3,0 4,0
8,0
8,0 Lbs S02/N1NBtu
1,6
1,~
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0.7 1,2 1,8 2,4
3,6
0,5 0,9 1,4 1,8
2,7
4,8 % S for 12,000 Btu/Ib cool
(6,667 Kcat/kg)
3,6 % S fox" 9,000 Btu/Ib coal
(5,000 Kcc~I/kg)
Figuur 4,3. Kostenverge]ijking van dry- en wet-scrubbing voor kolen
uit het westen en oosten van de VS
WET SCRUBBING
KALKSTEEN
KOOL TYPE
LOKATIE Lbs. per ~~4Btu/ng/J (% Verxvijdering)
VS
OOST
VS
ct/K~~v~
ct/KWh
f /TON KOOL
1,2/516 (70)
0,01
0,26
0,061
I~64
2,0/860 (70)
0,017
0,44
0,110
2,94
3,0/1,289 (80)
0,029
0,78
0,189
3,04
4,0/I~719 (85)
0,041
1,10
0,339
9,02
6,0/2,579
90)
0,068
1,82
0,709
18,90
8,0/3,438
90)
0,091
2,42
1,134
30,24
1,2/516
70)
0,01
0,20
0,038
0,76
2,0/860
70)
0,017
0,34
0,079
1,58
3,0/1,289
80)
0,029
0,58
0,150
2,98
4,0/1,719 (85)
0,042
0,82
0,230
4,56
WEST
Tabel 4.3. Reagenskosten droog- en nat-scrubbingssysteem [29[
Kalk
Y /TON KOOL
DRY SCRUBBING
KALK
f 100/ton Oostelijke kool 6700 kcal/kg
Kalksteen f 14/ton Westelijke kool 5000 kcal/kg
- 35 -
absorptiemateriaal is de produktie aan afvalprodukten een stuk lager,
wat voor ons land zeer belangrijk is in verband met de geringe beschikbare ruimte voor opslag.
4.3. Bijprodukten
Bij de ontzwaveling van rookgas worden bijprodnkten gevormd als slib,
gips, zwavel, zwavelzuur of vloeibaar S02~ Tabel 4.4. geeft een indruk
van de omvang van deze produkten.
Slib is moeilijk hanteerbaar, loogt de bodem uit en is omvangrijk.
Uitgaande van een 600 MW -centrale voor de basislast welke kolen stookt
e
met Z% S wordt er bij toe~assing van het kalksteenslurrieprocédé met
90% rendement jaarlijks ]24.000 ton slib geproduceerd. Bij storten tot
5 m hoogte betekent dat een jaarlijkse opnieuw vereiste hoeveelheid grond
van 3 ha. Een dergelijke centrale zal daarnaast bij een asgehalte van
15% nog eens 180.000 ton as produceren. Hoewel het zwavelgehalte van in
2000 te importeren kolen nu nog niet bekend is, laat de eenvoudige vergelijking direct al zien dat de slurrie door zijn omvang een infrastructureel ~robleem zou scheppen dat in dezelfde orde van grootte ligt als
het ~robleem van de opslag van de as.
proces
produkt
kolen
i% S
kalksteenslurrie
3% S
slib incl.:
60% water
kalkslurrie
2% S
124.000
248.000
373.000
118.000
236.000
354.000
slib incl.:
60% water
Wellman Lord ÷)
Na2SO~
5.000
9.500
14.000
diversen
- gips
58.000
116o000
174.000
- zwavelzuur
33.000
66.000
99.000
- zwavel
I].000
22.000
32.500
- zwaveldioxide
2].500
43.000
65°000
~)10% van de zwavel als zodanig gebonden
Tabel 4~.4. Bijprodukt van diverse rookgasontzwavelingsprocessen bij een
600 ~~~ -centrale (t/a) (ontzwaveling 90%, bedrijfstijd 5700 uur)
- 36 -
Tabel 4.5° geeít aan de hoeveelheid bijprodukt die gevormd kan worden bij
opwekking vsn 6000 MWe (I0 basiseenheden van 600 MWe) welke kolen met
2% $ ~ebruiken in relatie tot de huidige markt voor deze produkten.
Hierbij geldt dat een mogelijke cis voor zwavelemissiebestrijding bij
kolen ook een gelijktijdige cis voor olieontzwaveling met zich mee
kan brengen waardoor bijvoorbeeld de totale produktie aan zwavel
bij verwijdering van 2% zwavel uit 25 Mton olíe nog eens met 500.000
ton zwavel wordt verheogd.
Produkt
Rookgasontzwaveling
t/a
Nederlandse produktie
in- of uitvoer
t/a
Zwavelzuur
660.000
Zwavel
220°000
157.000/invoer
1976
I.]60.000
490.000/invoer
~976
Gips
|.462.000/produktie ]976
Tabel 4.5. Marktaandeel van ontzwavelingsprodukten bij 6000 MWe~ 2% $, basislast
De afzet van alle genoemde produkten lijkt, mits van voldoende kwaliteit,
nu nog mogelijk, hoewel voor gips snel een verzadiging moet worden verwacht° In Japan, waar zeer veel rookgasontzwavelingseenheden gips produceren, is reeds een groot overschot ontstaan° Dit laatste wordt onder
meer als reden genoemd voor het temporiseren van de bouw van rookgasontzwavelingsinstallatie in Japan. Volgens het METRA-rapport is de kwaliteit van gips van rookgasontzwavelingseenheden beter geschikt voor cement
en voor wanden dan fosfaatgips I~~. Een vervanging i.p.v, aanvulling op
de gipsmarkt met als gevolg een even groot resterend afvalprobleem maar
dan van fosfaatgips is dan mogelijk~ Uiteraard wordt daardoor het afvalprobleem niet opgelost. Het lijkt dan ook juist onderzoek vooral voor
de langere termijn te verrichten naar gebruiksmogelijkheden van gips,
alsmede naar de mogelijkheden om het gebruik te vergroten.
Recent is een metNode ontwïkkeld om Net afvalpoeder van dr~~scruhhïng
processen tot een nuttìg produkt te verwerken~ Door er ]0 tot 20% water
aan toe te voegen en Net te comprfmeren tot 2,5 â 3,0 maal de oorspronkelijke
diehtheid wordt een soort synthetische gravel verkregen, bestaande uït
pellets met een dichtheid van ongeveer 1920 kg/m3 en ee~ druksterkte van
meer dan 6,9 x 104 kPao
- 37 -
De pellets worden niet aangetast door water, warmte en vries/dooi-cycli,
ze kunnen toegepast worden in cement en in wegbeddingeno De produktiekosten
bedragen ca. f I0,-- per ton 136~. In hoeverre dit produkt vergelijkbaar
is met de gesinterde vliegas (Lytag produktiekosten ca. f 55,-- per ton)
is een punt van nader onderzoek. Een vergelijking van de kosten van afvalverwerking voor een natte en droge scrub~er is weerge~even in Tabel
4.6. De afwezigheid van indik- en filtratie-a~paratuur vermindert de kapitaalskosten voor de verwijdering van afval uit een droge scrubber met
48% tot ca. f |8/kw en de bedrijfskosten met 28% tot Cao 0,16 ct/kW h.
e
e
De kosten van de na~te serubber zijn afkomstig van een door TVA uitgevoerde
studie 1371.
Vliegas Indikken Filtratie Menging Verwij- Totaal
verwerdering
king
Nat FGD proces
Kapitaalskosten, f/kW
9,0
e
Bedrijfskosten, ct/kWh
0,044
|3,0
0,050
5,0
1,8
5,6
0,022
0,010
0,090
34,4
0,216
Droog FGD proces
Kapitaalskosten, f/kW
6,3
0
0
1,8
5,6
0
0
0,010
0,090
e
Bedrijfskosten, ct/k~~
0,056
18,0
0,156
Tabel 4.6. Kapitaals- en bedrijfskosten betreffende de verwijdering van afval
afkomstig van natte en droge FGD-processen 136!
4.4. Kosten
In de loop der jaren zijn er vele kostencijfers verzameld welke stuk
voor stuk nogal uiteenlopen. Het ligt niet in de bedoeling om lukraak
alle cijfermateriaal weer te geven, temeer niet omdat er in het materiaal
onderling nogal veel verschil voorkomt in de aannames.
Logischer leek het aansluiting te zoeken bij het cijfermateriaal van de
TYA (Tennessee Valley Authority). De TYA heeft t.b.vo de NATO-CCM~studie rookgasontzwaveling m.boV° eìgen rekenmodellen diverse processen
op gelíjkwaardige wijze doorgerekend. In de kostencijfers zijn de resultaten van een uitgebreide enquête t.bov, deze NATO-CCM$-studie 151 als
- 38 -
uitgangspunt gebruikt waardoor de verkregen cijfers de werkelijkheid redelijk zullen benaderen. Het sterke punt van deze cijfers is de onderlin~e
vergelijkbaarheid (zie Tabel,4.7.).
De berekeningen zijn uitgevoerd met o.a. de volgende aannames:
- grootte 500 MWe;
- bedrijfstijd 6000 uur/jaar;
- verwijderlng van SO2 voor 90%;
- technische levensduur 30 jaar.
4.5. Slot
De eventuele introductie van rookgasontzwaveling, met name bij grote ketels,
heeft een aantal duidelijke consequenties.
Genoemd kunnen onder meer worden:
- een toename van het verbruik van primaire energiedragers. Het eigen gebruik van installaties exclusief herverhitting kan variëren van 2 tot
8% van de input;
- het zwavelhoudende bijprodukt zal op een aanvaardbare wijze moeten worden
opgeslagen of worden gebruikt;
- het ruimtebeslag van rookgasontzwavelìngsinstallaties is groot. Behalve
voor de installatíe zelf is er opslag van grondstoffen en bijprodukten,
terwijl in veel gevallen een wateringszuiveringsínstallatie nodig is;
- rookgasontzwaveling is chemische industrie met een eigen bedrljfskarakteristiek~ Voor elektriciteitscentrales betekent die de toevoeging van
een stuk wezenvreemde industrie. Een rookgasontzwavelingsinstallatie
zal tevens in staat moeten zijn de belastingsvaríaties van de ketel op
te rangen;
- rookgasontzwavelingsinstallaties hebben een bepaalde mate van betrouwbaarheid (minder dan 100%) en daarmee samenhangende beschikbaarheido
De betrouwbaarheid van het gehele complex, ketel + FGD, zal derhal~e
afnemen;
- de investeringen voor rookgasontzwaveling zijn zeer aanzienlijk.
Bovendien speelt het probleem van de bivalentie van de Nederlandse eenheden, dat wll zeggen de rookgasontzwavelingsinstallatie zal geschikt
moeten zijn voor de verwerking van de rookgassen van stookolie en kolen.
- 39 -
Proces
Energie
Ruimtcbeslag %nvest~rCng
Verlies in
hectares
% input
M$
$/kW
Mills/k~~
(;979 US $)
Kalksteen/slib
0.8% S in coal
3,3
42
40,0
80,0
3,72
1.4% S in coal
3,2
56
41,6
83,3
3,85
2.0% S in coa]
3,2
78
45,5
91,0
4~19
3.5% S ~n coal
3,3
127
53,]
;06,2
4,88
].4% S in coal
3,]
47
38,9
77,8
3,83
2.0% S in coal
8,2
66
42,0
83,9
4,21
3~5% 8 in coal
3,2
107
47,7
95,5
4,99
0.8% S in coal
2,5
38
40,5
81,1
3,72
~.4% S in coal
2,4
49
42,2
84,4
3,93
2.0% 8 in coal
2,5
67
46~0
92,1
4,36
3.5% S ~n coal
2,5
104
53,2
]06~5
5,34
0.8% S in coal
4~2
2
29~6
5Q
2~~
1.4% S in coal
4~2
2
3N,6
60
2,9
0.8% S in coal
2~9
5
35~3
71
3~26
1.4% S Cn coal
2,9
5
36,4
73
3,A3
2.0% S in coal
3,2
5
39,3
79
3,82
3.5% S in coal
3,7
5
44,5
89
4,60
0.SZ S in coal
3,4
5
42,0
84,0
3,65
1.4% S in coal
3,3
5
42,0
84,0
9,64
2.0% S in coal
3,3
5
43,8
87,6
3,79
3.5% $ in coal
3~4
5
47,0
94~0
4~05
0.8Z S in coal
4,1
3
~6,8
94
4,1
1.4% S in coal
4,6
3
~0,3
10]
4,4
2.0% S in coal
5,7
3
~6,9
]I~
4~~
Double-Alka]J/slib
Zeewaterreiniging
1.4% S Cn coal,
Kalk/gips
Chiyoda ~2]
Na~riumsulfiet
Tabel 4.7. Kosten va~ rookgasontzwavelingsprocédés 15]
5. KOLENWASS ING
5.1. Algemee~
De techniek van het kolenwassen is niet geheel nieuw, doch wordt al
enkele decennia toegepasto Deze wassing vindt uitsluitend plaats bij de
mijn en biedt het voordeel dat:
a. gespaard wordt op transportkosten,
b. er veelal een betere opslagmogelijkheid voor het vrijkomend afval
bij de mijn aanwezig is;
c. bij verwijdering van pyriet naast verlaging van het asgehalte~ een
verlaging van het zwavelgehalte wordt verkregen [21, 11]I.
5°2. ~ysische wassin,g
De techniek van het fysisch wassen berust op een scheiding van kolen
(s.g. 1,3) en de aanwezige verontreiniging (s.g. > 2) op basís van verschil in soortelijk gewicht door de kolen te brengen in een medium met
een s.g. van ongeveer 1,5. Vooral pyriet (s.g. ~ 5) kan op deze wijze
afgescheiden worden°
De hoeveelheid zwavel die met deze wastechnieken kan worden afgescheiden
is o.a. afhankelijk van:
a. verhouding pyriet - organisch zwavel (alleen pyriet kan worden af~escheiden);
b. soort wasteehniek;
c. grootte van de te wassen kooldeeltjes. Kooldeeltjes met minimaal 10%
pyriet zinken in een medium met s.g. 1,5 ~2[.
Bij verwijdering van pyriet gaat tevens kool verloren. De verliezen
nemen toe bij toenemende pyrietverwijdering. Figuur 5.]. geeft een in~ruk
van deze verliezen~ ze zijn een belangrijk deel van het kostenaspect.
5.3. Chemisehe wassing
Door middel van fysisch wassen kan alleen de zwavel in de vorm van pyriet
verwijderd worden (30-60%). Bij verdergaande zwavelverwijdering zal een
chemische omzetting noodzakelijk zijn°
- 4] -
Geen enkel onderzoek is op dit moment verder dan de pilot-fase [2[ en
geen enkele methode wordt commercieel toegepast. De chemische bewerkingen zijn effectiever, maar ook kostbaarder en behoeven meer energie
dan de fysische bewerkíng. Om deze redenen wordt dan ook geen ontzwavelin~ van kolen in Nederland verwacht II|I.
0
10
20
30
4O
5O
6O
7O
0
METINGEN AAN 455 USA KOOLSOORTEN
KOLEN
0,119 cm.
KOLEN
3,8 cm.
MIDDELSTE LIJN IS GEMIDDELDE
BUITENSTE LIJNEN: STANDAARDDEVlATIE
10
20
30
40
50
60
I
!
70
80
~
90 100
PYRIET VERWIJDERING (°/o)-----~"
Fignur 5.|, PyrieLverwijdering vs thermische verliezen bij fysisch wassen ~31
5.4. Verwerking res,tprodukten van de fysische ~~assin~
Tot nu toe zijn er geen toepassingsmogelijkheden voor de restprodukten
van het wasproces, waardoor alleen storten overblijft. Hierbij dient
men rekening te houden met:
- 42 -
- zelfontbranding van het afval: door de exotherme oxidatie van pyriet
kan de temperatuur zodanig oplopen, dat zelfontbranding van de aanwezige koolresten plus pyriet kan optreden (bij koolgehaltes van meer
dan ~a~ |5%). Lokale stankoverlast is het gevolg;
- uitloging door water: de pH van het water daalt door vorming van
zwavelzuur ~2]~
- transport van verontreiniging uit het afval (w.o. zware metaaldeeltjes)
naar andere niveau’s in de bodem.
Een Pools onderzoek [6I heeft aangetoond dat bovengenoemde problemen o.a.
kunnen worden voorkomen door behandeling met een NaCl-oplossing (voorkomt
zelfontbranding) en opslag op klei- of leemlagen (voorkomt daling van
de pH van het grondwater vanwege de geringe doorlaatbaarheid).
5.5. Kosten van kolenwassing
5.5.1. Kosten van fysisch wassen
Er zijn drie problemen bij het bepalen van de waskosten:
a. Er is een enorme diversiteit in wasinstallaties. Ze zijn n.l. allemaal
ontworpen om een bepaalde kool voor een bepaalde toepassing te zuiveren.
b. Het doel van de kolenwassing is primair de asverwijdering. Dus een
gedeelte van de zwavelverwijdering kan beschouwd worden als ~~bonus"
bij de noodzakelijke asverwijdering.
e. De koolstofverliezen zijn groter naarmate het accent meer wordt
gelegd op ontzwaveling dan op asverwijderingo
Een studie van de OECD (Organisation for Economie Cooperation and Development) 121 leverde de schattingen zoals weergegeven in Tabel ~.1. De extra
kosten voor scheiding in hoog- en laagzwavelige kolen, gevolgd door zwavelverwijdering met geavanceerde techníeken uit de hoogzwavelige stroom
bedragen (in S/ton on~ew~ssen kool) volgens Tabel 5.2.
Kapitaalskosten
$ per ton/h,
VS
i)
2)
3)
Bediening plus onderhoud
input
W-Duitsl.
Kosten voor een "normale" installatie
met het doel kool te produceren met
uniforme warmte-inhoud en asgehalte
17500
25500
Extra kosten voor een trap om
gewassen koo~ te scheiden in een
hoogzwavelige en laagzwavelige stroom
(clean coal resp. middlings)
+12%
+12%
Extra kosten om zwavel in de hoogzwavelige stroom te verminderen
m.bov, schuimflotatie en scheidingstafels
+32%
+32%
13-17000
S/ton
VS
input
UK
W-Duitsl
0,9
1,2
1,3
+12%
+16%
+5%
+5%
+32%
+40%
+20%
n.a.
Tabel 5.1o Kosten van kolenwassing in VS, Groot-Brittannië en West-Duitsland 121 (december 1976)
Land
Afschrijving
I0%
20%
VS
0,5
0,7
UK
0,5
0,8
Tabel 5,2. De extra zwavelverwijderin~skosten (S/ton on~ewassen kool)
De cijfers van Tabel 5°2° gelden voor:
- 3000 bedrijfsuren per jaar;
- afschrijvlng 10% [I[, resp. 20% [2[;
- prijspeil december 1976.
De pyrietverwijdering zal mogelijk 50% bedragen. Bij een oorspronkelijk
totaal zwavelgehalte van 1,5% betekent dit een zwavelverwijdering van
0,25% (betrokken op totaal S). De extra kosten per ton verwijderde zwavel
liggen dan tussen 400 x $ 0,5 en 400 x $ 0,8 is $ 200 - 320.
5.5.2. Kosten van chemisch wassen
De geschatte kosten van de verschillende techni~~en staan in Tabel 5oB.
Deze kostenschatting [I~ is gebaseerd op gegevens uit gepublieeerde literatuur. Dit maakt dat de benadering erg ruw is. De kosten van de versehillende ehemisehe methoden zijn onderling vrijwel gelijk (ea. $ 15/ton
gewassen kool) en aanzienlijk hoger dan de kosten welke het fysisch
wassen met zich meebrengt.
5.6. Slot
I. Voor de nabije toekomst lijkt chemisch wassen niet toepasbaar op
praktijkschaal.
2. Fysisch wassen, gericht op S-verwijdering, heeft alleen zin voor:
- gebruik van hoogzwavelige kolen; deze bevatten relatief veel uitwasbaar pyriet;
- goedkope kolen (koolstofverliezen wegen dan niet zo zwaar).
- 45 -
Voor de Europese situatie lijken de genoemde factoren niet relevant:
- laag zwavelgehalte, dus weinig uitwasbaar pyriet,
- relatief dure kolen; energieverliezen kunnen moeilijk geaccepteerd
worden.
Alleen in het Oosten van de Verenigde Staten lijkt het zinvol kolenwassing als ontzwavelingstechniek toe te passen (S-gehalte 3 à 4%).
Dit betekent niet dat in andere gebieden de methode geen verdere
aandacht moet krijgen. De aandacht zou dan wel gericht moeten worden
op het optimaliseren van bestaande wasinstallaties die als primair
doel hebben: de verlaging van het asgehalte en niet op het investeren
in wasinstallaties enkel met het doel zwavel te verwijderen.
De extra kosten van fysisch wassen, gericht op zo groot mogelijke
zwavelverwijdering zijn Cd. f |,-- à Y 2,-- per ton ongewassen kool.
Deze extra kosten bestaan uit een scheiding in hoog- en laagzwavelige
kolen, gevolgd door zwavelverwijdering uit de hoogzwavelige stroom
m.b.vo geavanceerde technieken.
Proces en kosten
KVB
S/ton Clean Coal, droog*)
*)
7
16
Batelle
TRW
Ledgemont
USBM/DOE
13
14
]6
Er dient nog 4-5 S/ton te werden toegevoegd voor verkleinen en briketteren
Tabel 5.3. Kostenvergelíjking ontzwaveling d.m.v, chemische kolenwassing III (]977)
Opmerking: Doorzet 8000 ton/dag (zonder behandeling)
- 47 -
6. WERVELLAAGVERBRANDING
6~. I. Algemeen
Bij wervellaagverbranding maakt men onderscheid in AFBC (atmosferisch)
en PFBC (onder druk). Op korte termijn zal voor AFBC voornamelijk toepassing gezocht worden in industrieketels en tevens voor stadsverwa~min~~
op langere termijn maakt PFBC mogelijk een kans in grotere ketelinstallaties in de negentiger jaren.
In Engeland is sinds 1975 een eenheid van ca. 18 MWth in onderzoek,
terwijl onder auspiciën van de IEA een installatie van ca. 85 MWth in
aanbouw is. In de VS is een aantal experimentele installaties van
3~~~th tot 1500 ~íWth in aanbouw of in .stadie, terwijl in één geval een
90 ~~th installatie in experimenteel bedrijf geweest is. In Nederland bestaan aan de TH-Twente en bij TNO kleine proefopstellingen.
Naast de toepassing van wervelbedverbranding in industrieketels wordt
ook gedacht aan toepassing ten behoeve van elektriciteitsopwekking in
kleinere eenheden in combinatie met stadsverwarming. Voor de zeer grote
installaties, met name elektrische centrales, is wervelbedverbranding
onder druk in principe aantrekkelijker doch de realisatie daarvan zal naar
bel zich thans laat aanzien pas in de negentiger jaren te vermachten zijn
Kolenvergassing lijkt momenteel voor deze toepassing waarschijnlijker.
Op langere termijn, op zijn vroegst na 1985, zijn er mogelijkheden voor
toepassing tob.v, elektrìcïteitsproduktïe in STEG-installaties in relatief kleine eenheden. Eenheden groter dan 50MWe zij~i niet beschikbaar
voor 1990. AFBC-installaties voor produktie van atoom in de industrie
zijn op korte termijn bestelbaar tot capaciteiten van 200 ton stoom per
uur 121, 171. Een doorbraak voor de introductie van AFBC, ín wezen een
acceptatie door de industrie, is pas te verwachten na
- het duidelijk aantonen van de bedrijfszekerheid d.m.v, een aantal
grote proefobjecten;
- het beperken van de beschikbaarstelling van aardgas.
Het rendement van een AFBC-ketel voor elektríciteitsproduktie is ca.
36-38% hetgeen ongeveer gelijk is aan conventionele poederkoolsystemen.
Het voordeel t. OoV. conventionele eenheden wordt hier dan ook juist bereikt indien rookgasontzwaveling vereist wordt. Voor de toepassing van
PFBC in combinatie met gas- en stoomturbinesystemen worden een rendement
verwacht van 40-43%.
- 48 -
6.2. Voor- en nadelen
Als voordelen van AFBC kunnen worden genoemd:
¯ Grotere energiedíchtheid (een orde van grootte groter) in de vuurhaard,
compactere bouw, mogelijkheid van bouw in modules in de fabriek.
¯ Hoger thermisch rendement.
. Een grotere verscheidenheid van brandstoffen - de uitvoering van de
vuurhaard moet echter wel aangepast zijn aan de brandstofsoort, o.a.
hoogzwavelige (goedkopere) kolen.
¯ Ontzwaveling gedurende de verbranding, dus geen nagesehakelde rookgasontzwaveling nodig.
¯ Verpulveren van kolen is niet nodig (energiebesparing), beperking van
het gevaar van zelfontbranding.
¯ Het gebruikte sorbent is droog (in tegenstelling tot de slurrie bij
natte rookgasontzwaveling).
Nadeel is o.a. de relatíef lage reactietemperatuur welke een belemmering
is voor het bereiken van zeer hoge rendementen in gecombineerde gasen stoomturbinecycli. Meer voortgang is te verwachten bij het stoken
van schoon kolengas in gasturbines bij zeer hoge temperaturen (1500UC).
Dit effect zal het rendementsverlies der kolenvergassing meer dan compenseren. Verder is de hoeveelheid gevormde afvalstoffen (residn; kolenas plus gips en overmaat CaO) groot. Daar men meestalgebonden is aan
de lokale kalksteen kan dit zelfs ~eleurstellend hoog worden.
6°3. Kosten
Een nauwkeurig beeld van de kosten die gemoeid zijn met FBC-installaties
kan pas verkregen worden, wanneer deze gebou~~d en in bedrijf genomen zijn.
De resultaten tot nu toe zijn uit studies verkregen, waarbij de nadruk
lag op de kosten van elektriciteitsopwekking.
Uit de studies komt naar voren dat voor industriële toepassingen een
FBC-ketel concurrerend zou zijn met conventìonele ketels met rookgasontzwaveling.
Uit recente kostenschattingen kan opgemaakt worden dat de investeringskosten ca. f 450/kWth inclusief het civiele gedeelte bedragen 1331.
Dit bedrag ligt in dezelfde grootteorde als de investering in een poederkoolketel met rookgasontzwaveling. Het is echter hoger dan de kosten van
een roosterketel met rookgasontzwaveling (ca. f 300/kWth).
Voor een meer uitgebreid kostenoverzicHt van industriële FBC ketels
wordt verwezen naar het deelrapport ~Industriële Kolëngestookte Ketels"o
Omtrent de toepassing van FBC-technologie bij de elektricíteitsopwekking
is onlangs door de EPRI een studie uitgevoerd voor een 1000 MW.e centrale,
waarbij naast AFBC en PFBC ook vergassing en een poederkoolketel met FGD
vergeleken werden. De resultaten zijn weergegeven in Tabe! 6.1.
Technologie
Kapitaalskosten f/kWe
Elektriciteitskosten
ct/kWh
PFBC
T400
]1,6
AFBC
1420
12,2
Gasification Combined Cycle
1530
]2,0
Poederkool + FGD
1608
12,8
Tabel 6.]. Kostenver~elijking Elektriciteitsopwekking 1341
Uit deze resultaten blijkt dat FBC een van de opties is om goedkoper
elektriciteit te produceren. Het zal echter van de demonstratie van
Hetrouwbaarheid en beschikbaarheid afhangen wat het marktpotentieel
zal zijn.
6.4. Afvalprodukt
Het geproduceerde afval bij FBC-installaties zal bestaan uit as (]0-20%
van de kolendoorzet) en afgewerkte kalksteen of dolomiet. Het afval zal
een gemakkelijk uitloogbaar karakter bezltteno Storten zal dan ook met
minstens even veel zorg moeten gebeuren als bij gewone vliegas.
Er zijn echter mogelijkheden om het materiaal te gebruiken voor de cementfabricage of in de bouwnijverheido Ook is regeneratie denkbaar van
het kalk- en gipshoudende afval. Om op enige schaal tot toepassing te
komen van wervelbedverbranding zal het afvalprobleem opgelost moeten
woíden, waartoe wellicht evenveel inspanning nodig zal zijn als voor de
ontwikkeling van de techniek zelf.
- 50 7. VERGASSING
7.1. Algemeen
In principe zijn er vier inzetmogelijkheden voor kolengas:
- directe ondervuring (elektriciteitsproduktie);
- suppletiegas bij aardgas;
- rempla~antgas voor aardgas;
- chemische grondstof.
De bovenvermelde toepassingsmogelijkheden vormen de belangrijkste parameters bij de keuze van een vergassingsproces. Daarnaast wordt in afnemende mate van belangrijkheid nog een rol gespeeld door:
- de locatie;
- de milieu-eisen;
- de kosten.
Voor wat betreft luchtvero~treinigi~~ zijn vergassingsinstallaties milieuvriendelijker dan welke thans in gebruik zijnde verbrandingstechnologie ook° Qua proceswater zijn kolenverbrandíngsinstallaties in principe
milieuvriendelijker dan installaties voor kolenvergassing. Er zijn in dit
opzicht grote verschillen tussen de verschillende vergasslngsprocessen.
Bij vergassing wordt de aanwezíge zwavel partieel geoxydeerd tot H2S en
een kleine hoeveelheid carbonylsulfide (COS). Beide zijn met een groot
zuiveringsrendement (90-95%) uit de gasstroom te verwijderen, waarna in
een zogenaamde Claus-installatie vrijwel zuivere zwavel geproduceerd kan
worden. De energieverliezen bedragen ca. I-2% van de input (FGD 2-6%)
121, 181~ Vergassing biedt voor Nederland meer en ook eerder mogelijkheden dan de meeste andere landen. De investering voor de industrie is nl.
hier te lande aanzienlijk geringer vanwege de overgang van aardgasapparatuur naar kolengasapparatuur. De aanpassing is beperkt. Een bijkomend
voordeel is de centralisatie en volumevermindering van het afval.
7,2. Toepassi~Z
Bij de vergassing onderscheidt men verschillende systemen: het fixed-bed
(Lurgi), het wervel- of fluid-bed (Winkler en Exxon) en het entrained-bed
(Koppers-Totzek). De genoemde namen betreffen de meest ontwikkelde en in
de aandacht gekomen systemen.
-51 -
Van het fíxed-bed type zijn een honderdtal vergassers in bedrijf of in
aanbouw. Van het wervelbed-type is een dertigtal in bedrijf, terwijl in
Texas in het kader van de overschakeling van bestaande elektríciteitscentrales van gas op kolen een 50 M~~th-demonstratiever~asser gebouwd
wordt.
Van het entrained-be~ type zijn een vijftigtal gebouwd, meestal voor de
produktie van NH3-synthesegas. Hoewel een aantal systemen voor kolenvergassing als een beschikbare technologie kunnen worden beschouwd, kleven
er nog nadelen aan. Dit betreft voora! de grote omvang van de installaties, mede ten gevolge van het werken onder atmosferische druk, een te
grote gevoeli~heid veor de kwaliteit van de kolen en een voor bepaalde
toepassingen te geringe regelbaarheíd. Er wordt nu vooral gewerkt aan
de ontwikkeling vsn vergassing onder druk in apparatuur van beperkte omvang.
Het fixed-bed type wordt ook reeds vele jaren onder hogere druk bedreven
(Lurgi). Bij een in de Duitse Bondsrepubliek ten behoeve van elektriciteitsopwekking gebouwde vergasser (520 MWth) is echter nog geen langdurige beproeving mogelijk gebleken. Het probleem ligt. hier in de gevoeligheid voor de vera~deringen van de kolenkwaliteit. Het wervelbed-type
onder druk verkeert nog in een experimenteel stadium 1111.
De Gasunie zal waarschijnlijk een Lurgi druk-vergassingsinstallatie laten
bouwen. Het geproduceerde gas za! dienen om hoogcalorisch Noordzeegas
(en L.N.G.) af te mengen tot Gronlngen-aardgaskwaliteit. Lurgi komt voor
dit doel in aanmerking omdat het een relatief hoog methaangehalte in het
ruwe gas heeft (Cd. 10%) en de technologie bewezen is.
~oor de produktie van stook- en synthesegas zijn de stofwolkvergassers
onder verhoo~de druk het meest geschikt° Ze produceren een schoon gas
dat bestaat uit cd. 65% CO en 35% H2o De processen die in aanmerking komen, zijn: Shell-Koppers, Saarberg/Otto en Texaco. Het gehalte aan zwavelverbindingen (H2S en COS) bedraagt Cd. 0,4% in het ruwe gas.
Indien gas geleverd wordt aan het openbare net of aan een methanol/
ammoniakfabrikant, stelt de afnemer strikte eisen aan de verwljdering
van zwavelverbindingen uit het kolengas. Met normale teehnieken kan men
vervolgens Cd. 92% vsn de uitgewassen zwavelverbindingen omzetten in
elementaire zwavel, hetgeen dom.v, extra voorzieningen tot cd. 98% opgevoerd kan worden°
- 52 -
Indien kolengas wordt ingezet als industrieel stookgas of als brandstof
voor een STEG in een elektriciteitscentrale, zijn er geen procesove~~egingen die de gebruiker vergaande ontzwaveling doen voorschrijven. Men
kan dan overwegen een goedkoper wasproces te installeren en de produktle
van elementaire zwavel te reduceren tot ca. 85% à 90%, maar in principe
kan men ook hier ca. 98% zwavelverwijdering bereiken.
Ook voor vergassing geldt echter dat de laatste procenten van de verwijderde zwavel een zeer hoge kostprijs hebben.
7.3. Kosten en slot
De kosten van vergassing in combinatie met een STEG-eenheid zijn tot nu
toe afkomstig uit studies. Een nauwkeuríg beeld van deze ínvesteringen
zal pas beschikbaar zijn wanneer dergelijke installaties commercieel toegepast worden. In Taloel II worden de kosten van een dergelijk proces vergeleken met andere potentiële technologíën. De kosten van een vergassings/
STEG=installatie steken niet ongunstig af tegen een conventionele installatie met S02-rookgasreiniging.
De investering in een centrale vergassingsfabriek voor de produktie van
stook- en synthesegas bedraagt volgens recente kostenschattingen ca.
f 450/kWth. Da prijs van stookgas zal afhangen van de steenkoolprijs.
Volgens recente opgaven zal, uitgaande van een kolenprijs van f ]30 per
3
ton, de stookgasprijs ca. 30-35 ct. per m bedragen.
- 53 -
8~ NO-EMISSIE
8, ! . Algemeen
Ongeveer 10% van de stikstofoxyden in de atmosfeer is van kunstmatige
oorsprong. De 90% o~yden van natuurlijke oorsprong bestaan voor bijna
de helft uit NO2 (lachgas), dat gevormd wordt bij biologische omzettingsprocessen en voor de rest voornamelijk uit NO en NO2, dat ontstaat door
directe vorming in de bodem bij bacteriologische processen en door indirecte vormin~ in de atmosfeer bij fotodissociat{e van N20 en NO2 en oxydatie van NOo Het kunstmatig gevormde NO is in hoofdzaak afkomstig van
x
verbrandingsprocessen, waarbij in eerste instantie NO gevormd wordt~ dat
vervolgens vrij gemakkelijk in NO2 wordt omgezet. In Nederland is de herkomst van de kunstmatig gevormde NO ongeveer als volgt: verkeer + 40%,
elektrische centrales ~ 25%, industrie ~ 25%, ruimteverwarming ~ 5%.
Niet zozeer de totale hoeveelheid NO in de atmosfeer is van belang, maar
x
veeleer de voorkomende concentratie op grondniveau. Het aandeel van de
"natuurlijke" stikstofoxyden is hierin gering (0,3 - 2,5 ~g/m3 voor NO
en 2 - 2,5 Dg/m3 voor NO2)~ maar de concentraties ten gevolge van kunstmatige bronnen variëren veel sterker en kunnen in stedelijke gebieden
zelfs oplopen tot 600 ~g/m3 ~8].
Hoewel de nadelize effecten van NO op de gezondheid en op het milieu
x
nog niet alle even duidelijk zijn, is wel bekend dat stikstofoxyden een
belangrijke rol spelen bij de vorming van fotochemísche smog in de atmosfeer. Bekende voorbeelden hiervan waren de smozverschijnselen in
Londen, Los Angeles en Tokio. In Londen werden deze veroorzaakt door
NOx- en SO2-emissies ten gevolge van het stoken van steenkool, terwijl
in Los Angeles en Tokio vooral het verkeer verantwoordelijk was voor
hoge NO -emissíes en de hieruit volgende smog-o~erlasto In Japan is dit
x
aanleiding geweest tot het instellen van strenge normen voor NO -emissies
X
waardoor NO -beperkende rookzasprocédés noodzakelijk werden~
x
Volgens gegevens van het CB$ was de NO -emissie de afgelopen jaren in
x
Nederland [!5!:
- 54 -
(1000 ton)
1965
1970
I977
Verkeer en vervoer
85
173
247
Verbrandingsovens
180
200
173
Het aandeel van vaste brandstoffen in de 173o000 ton t.b.v, verbrandingsovens voor 1976 was 24.000 ton. Dit aandeel zal in de komende jaren, met
de verwachte hogere inzet van steenkool voor ondervuring, sterk toenemen,
terwijl tevens een aanzienlijke toename verwacht wordt uit de overige
bronnen.
Gezien de problemen die in een aantal landen reeds zijn opgetreden t.a.v.
NO -emíssies (smogvorming) en de maatregelen die hieruit voortgevloeid
X
zíjn, is het te verwachten dat in de toekomst in Nederland ook maatregelen getroffen zullen moeten worden ter beperking van NO -emíssies.
x
De meest voor de hand liggende strategie uit kostenoverweging is dan om
in eerste instantie de grote stationaire bronnen aan te pakken ín plaats
van het verkeer° Toch wordt er in de VS ook grote aandacht besteed aan
het terugdringen van de NO -emíssie van het verkeer. Redenen hiervoor
x
zijn=
- het grote aandeel in de totale emissie;
- de uitworp binnen enkele uren per dag (spits) met als gevolg een zeer
hoge NO -concentratie in deze uren;
x
- de uitworp vindt plaats op laag niveau.
8.2. Normen
De in de Kolennota 1321 genoemde normen geven een maximale uitworp van
]50 g/GJ NOx aan voor installaties kleiner dan 500 MWth en maximaal.
300 g/GJ NOx voor installaties groter dan 500 ~~th" Een waarde van maximaal 30 g/GJ, bereikbaar met rookgasverwijderingsprocessen, wordt als
streefwaarda gehanteerd voor nieuwe installaties groter dan 500 ~~~th"
Bij de definitieve wettelijke vaststelling van de normen za! rekening
gehouden worden met de ontwikkeling van de totale NO -uitworp in Nederland.
x
In West-Duitsland is voor stikstofdioxyde (N02) een grenswaarde van
100 ~g/m3 en voor stikstofmonoxyde (NO) een grenswaarde van 200 ~g/m3
van kracht I171.
In de VS zijn door de Environmental Protection Agency (EPA) emissie-
normen voor stikstofoxyden uitgevaardigd die betrekking hebben op de
emissies van nieuwe elektriciteitscentrales. De meest recente waarden
(mei 1979) bedragen 0,6 Ibs/MBtu voor bitumineuze kool en 0,5 Ibs/MBtu
voor subbitumi~euze kool (0,26 en 0,22 k~!GJ). De komende jaren wordt
een nog verdere verlaging van deze waarden verwacht I~81.
In dit rapport zal voornamelijk worden ingegaan op de problematiek om
de vorming en emissie van NO ten gevolge van het verstoken van steenx
kool en steenkoolprodukten te beperken.
- 56 -
9. VOP~{ING VAN STIKSTOFOXYDEN
~tikstofoxyden kunnen door twee mechanismen gevormd worden:
]. Door reactie van moleculaire stikstof met zuurstof in de verbrandingslucht bij de vlamtemperatuur (thermisch-NO);
x
2. Door oxydatie van org~nische stikstofverbindingen in de steenkool
tot NO (brandstof-NO).
x
Dit laatste proces kan zich al bij veel lagere temperaturen afspelen.
Thermisch-NO is een functie van de beschikbare hoeveelheden stikstof
x
en zuurstof gedurende de verbranding, de verbrandlngstemperatuur en de
verblijftijd bij die temperatuur
Brandstof-NO is de belangrijkste bron van NO -vorming bij de verbranx
x
ding van steenkool. Gedurende de verbranding van een poederkooldeeltje
kunnen drie fasen onderscheiden worden: verdamping van de lichte componenten ten gevolge van verhitting, verbranding van de vluchtige bestandwaarlangs
NOx gevormdvan
wordt,
zijn weergegeven
~.Io De meeste
delen en verbranding
de overblijvende
teer.inDeFiguur
verschillende
routes
stikstof in de teer wordt tijdens het uitbranden omgezet in NO . De stikstof aanwezig in 8e vluchtige bestanddelen wordt afhankelijk van de verbrandingscondities omgezet in N2 of NO x.
Het stikstofgehalte van de brandstof kan sterk variëren. Voor een aantal vaste brandstoffen worden de volgende waarden opgegeven betrokken
op as en watervrije brandstof (gew. %) I16~:
- turf
0,7 - 3,4%
- bruinkool
0,4 - 2,5%
- vette kool
0,6 - 2,8%
- antraciet
0,2 - 1,5%
Voor de kolen op de Nederlandse markt moet op een sterk wisselend stikstofgehalte worden gerekend ten gevolge van de verschillende herkomst van
de kolen. Analyse van de bij de Nederlandse centrales verstookte poederkool leverde stikstofgehalten tussen I en 2%. Bij het stoken van steenkool is een extra probleem dat er geen onderscheid mogelijk is tussen
brandstof-NO en thermisch-NO .
x
x
[~ VLUCHTIGE
BRANDSTOF
CHEMIE
NH 2
STIKSTOF ZXN
VERBINDINGEN
GASFASE
CHEMIE
STIKSTOF ACHTERGEBLEVEN
IN DE VASTE FASE
HETEROGENE
REAKTIES
N2
÷02
NO
NO
Figuur 9.1. Fundamentele processen bij de vonning van brandstof-NO [29I
- 58 -
Hierdoor kunnen ook de NO -reducerende maatregelen verschillen voor olie
en steenkool. De recirculatie van rookgassen bijvoorbeeld heeft bij het
stoken van olie een NO -reductie van 50% tot gevolg, terwijl het in het
geval waarin kolen gestookt worden sanzienlijk minder effect heeft.
Men heeft vastgesteld dat rook~asrecirculatie de vormin~ van thermischNO reduceert, terwijl het bijna geen effect heeft op de vorming van
x
brandstof-NOx. Hieruit valt af te leiden dat de grootste hoeveelheid NOx,
die gevormd wordt door het verbranden van steenkool, afkomstig is van
de in de kool gebonden stikstof. Het feit dat de hoeveelheid NO bij het
x
stoken van kolen toeneemt bij toename van 0 - 60% van de overmaat lucht,
wijst in dezelfde richting,
In het geval van olie- en gasvlammen neemt het NO -gehalte toe tot een
x
overmaat lucht van 20 â 30%. Verdere toename van de luchtovermaat zorgt
voor een afname van het NO -gehalte ten gevolge van de daling van de
x
vlamtemperatuur. Het gedrag van de steenkool kan verklaard worden door
het feit dat de vorming van brandstof-NO gelimiteerd wordt door gebrek
x
aan zuurstof in de vlam. De toenemende luchtovermaat heft deze beperking
op en doet de totale hoeveelheid NO
toenemen hoewel de hoeveelheid
x
thermisch-N0 zal afnemen 1191.
x
20 tot 25 procent van de brandstof~e~onden stikstof in ~oederkoolgestookte installaties wordt in N0 omgezet. In Figuur 9.2. is de conversie van
brandstofgebonden stikstof uitgezet tegen het stikstofgehalte van de brandstof.
100
60
2,5
STIKSTOFGEHALTE BRANOSTOF, G~W PROCSNTEN ~
Figuur 9.2. Conversie van brandstofgebonden stikstof als functie van het
stikstofgehalte van de brandstof
- 59 -
De onderbroken lijn geeft aan tot welke verlaging van de NO -emissie
x
R&D zou kunnen leiden 119[. De NO -emissieníveaus van ketels zonder beperkende voorzieningen variëren van 300 tot ongeveer 1200 ppm bij volle
doorzet. De NO -emissies verschillen aanzienlijk, zelfs voor ketels van
x
hetzelfde ontwerp, ten gevolge van afmetingen, leeftijd en kolensoort.
Van plaats tot plaats zijn er verschillen in bedrijfsvoering, onderhoud,
poederkoolafmeting en kolenkwaliteit, die alle van invloed zijn op de
hoeveelheid NO -emissie.
x
Variaties van 500 ppm voor eenzelfde keteltype behoren tot de mogelijkheden. In verband hiermee kan men de effectiviteit van een beperkingsmaatregel het beste uitdrukken als een percentage NO -vermindering.
x
Ten behoeve van overheidsmaatregelen e.d. is het echter vaak gewenst
absolute emissieniveaus te kennen. In Tabel 9.1. zijn voor een aantal
typen ketelinstallaties deze niveaus gegeven voor nieuwe en omgebouwde
units.
Minimaal NO -emissie niveau
Nieuwe installaties
verbrandingstechniek ppm bij 3%02
Aangepaste installaties
kg/GJ
ppm bij 3 %02
kg/GJ
~rontbranders
300 - 350
0,19
400 - 500
0,26
Voor- en achterwand
300 - 350
0,|9
400 - 600
0,26
~angentieel
~50 - 300
0,09
250 - 350
0,17
Tabel 9.1. Status van de NO -controlemaatregelen voor nieuwe en aangepaste
x
installaties ~201
- 60 -
]0. DE BEPERKING VAN NO -VORMING IN HET VERBRANDINGSPROCES
10.1. Poederkoolketels
De vorming van thermisch-NO kan aanzienlijk vermlnderd worden door wijzigingen in het verbrandingsproces~ die een verlaging van de vlamtemperstuur tot gevolg hebben° Brandstof-NOx, dat bij het stoken van de kolen
de belangrijkste bijdrage levert tot het totaal NO -niveau (60 à 80%),
x
is veel moeilijker te reduceren. NO -emissieniveaus van conventioneel
x
gestookte kolenketels bevinden zich in Figuur ]0.~o in het donkere gebied.
1400
1200
1000
BIJDRAGE
THERMISCH
NOx
80O
600
× 400
BIJDRAGE BRANDSTOF NOx
200
DOELSTELLING R& D
0_,5
1,0
1,5
2~0
2,5
STIKSTOFGEHALTE BRANDSTOF
(KOOL) GEW~CHTSPROCENTEN
Figuur I0,|. NOx-emissie als functie van het stikstofgehalte in de steenkoo].
NO -emissies zijn het hoogst bij cycloonfornuizen, gevolgd door poederx
ko~lins~allaties met branders in voor- en achterwand en tangentieel gcstookte poederkoolinstallaties. Be~nvloeding van de verbranding heeft invloed op de NO -uitstoot onder in het donkere gebied in Figuur
x
Lijn (2) is geschat op basis van een beperkte hoeveelheid gegevens door
het Battelle e~derzoek i~stituut. R&D gericht op NO -vermindering, bijx
voorbeeld door getrapt stoken zou tot de in Figuur I0.I. aangegeven lijn
kunnen leiden.
Studies naar vermindering van de NOx-uitstoot wijzen uit dat dit bereikt
kan worden met behulp van getrapte verbranding, gericht stoken, reductie
van de luchtovermaat en een branderontwerp gericht op snelheidsregeling~
menging en verdeling van lucht en steenkool.
Vorming van thermisch-NO kan beperkt worden door voorverwarming van de
x
verbrandingslucht achterwege te laten en in mindere mate door rookgascirculatie. Ongeveer 20 tot 25% van de organisch gebonden stikstof in
de steenkool wordt onder standaard condities omgezet in NOx . Brandstofrijke eondities tijdens de start van de verbranding reduceren de vormlng
van brandstof-NO . Dit kan bereikt worden door in deze fase met getrapte
verbranding een lucht/brandstofverhouding < 0,7 te onderhouden 12]le Deze
brendstofverhouding kan echter problemen veroorzaken met betrekking tot
de verbrandingsstabiliteit en de ontwikkeling van de vlam~ zodat hiermee
rekening gehouden dient te worden bij de instelling van de uiteindelijke
brandstofverhouding~ Gericht stoken en getrapte verbranding vinden plaats
onder reducerende omstandigheden~ Deze kunnen veranderingen veroorzaken
in het verslakkingsgedrag, in vliegaseigenschappen en aanleiding geven
tot een snellere corrosie van pijpwanden. Ter bescherming van de pijpwanden en ter voorkoming van verslakking zou door het bijstellen van branders en stromingsprofielen, een laag bestaande uit lucht of inerte verbrandingsprodukten langs de pijpwand ingesteld kunnen worden° In het ontwerp van nieuwe installaties worden maatregelen genomen om de vlamtemperatuur in de onmiddellijke nabíjheid van de brander laag te houden. In
bestaande installaties blijken de laagste NO -emissies verkregen te worden
x
bij tangentiële branders, in vergelijking met frontbranders en brenders
in voor- en achterwando De hoogeste emissies aan NO worden veroorzaakt
x
in cycloonfornuizen en in fornuizen met vloeibare slakaftap vanwege de
hogere bedrijfste~peratureno
- 62 -
Factoren die de vorming van zowel thermisch- als brandstof-NO be[nvloex
den~ zijn:
- getrapt stoken~
- branderontwerp~
- luchtovermaat.
De effecten van deze maatregelen op de NO-emissie
worden uitgebreid beN
schreven in literatuuropgaveI~6~. Hierna worden ze kort samengevat.
Bij het getrapt steken wordt een deel van de verbrandingslucht, die nodig is voor een volledige verbranding, via speciaal aangebrachte luchtpoorten boven de branders ingebracht. Hierdoor wordt de vlamtemperatuur
verlaagd en bovendien heerst in de primaire vlamzone een luchtondermaat.
Dit zijn beide factoren die de NO -vorming verminderen.
x
Aanpassing van het branderontwerp, waarbij een interne tweetrapsverbranding plaatsvindt, lijkt een veelbelovende weg om bij kolenstoken de NO X
emissie te verminderen. Een praktische toepassing hiervan is de dubbelregister poederkoolbrander. De brandstof wordt met primaire lu~ht (20%)
centraal toegevoerd via de poederkoolleiding. Daaromheen bevinden zich
de secundaire (20 - 30%) en tertiaire lucht (50 -60%) met elk een eigen
luchtregister. Met deze brander zijn NO -emissiereducties van 50% gereaX
liseerd in een Amerikaanse centrale ~221. Voor de Nederlandse situatie
is het wenselijk branders te ontwerpen, die bij een sterk wisselende samenstelling van de kolen kunnen worden toegepast. Figuur 10.2. toont een
vuurhaardontwerp, waarbij rekening gehouden wordt met een lage NO-vorming
X
~]8[. Het branderontwerp zorgt voor een relatief rustig stromingprofiel,
waarbij de menging van lucht en brandstof langzaam plaatsvindt. Hierdoor
is er meer tijd beschikbaar voor de verbranding, wat een lagere piektemperatuur tot gevolg heeft.
Om een goede warmte-overdracht te verkrijgen is een wat grotere vuurhaardafmeting noodzakelijk. Het toevoegen van overmaatlucht in de nabijheid
van de fornuisuítlaat bevordert de brandstofrijke verbranding en verlaagt
de piektemperatuur, terwijl de koolstofuitbrand vrijwel compleet is wanneer de gassen het fornuis verlaten.
Bovenstaande maatregelen kunnen de NO -emissie tot ea. 0,09 kg/GJ (ca.
x
150 ppm) reduceren zonder rendementsverlies en corrosieproblemen ~18].
- 63 -
Superheater
Verbrandingsprodukten
Fornuisui~laat
0vermaat lucht
~ecundair,
lucht
Kool en
.primaire
lucht
Figuur |0.2. Aangepast fornuisontwerp
- 64 -
Met het oog op de toename vsn de vorming van brandstof-NO met toenemende
x
luchtovermaat bij het stoken van kolen is het gewenst de luchtovermaat
te beperken. Deze beperking mag echter geen aanleiding geven tot andere
ongewenste effecten zoals vlaminstabiliteit, onverbrandverliezen, pijpwandinterin~ en vuurhaardvervuilin~.
Reductie van NO -emissie door middel van verlaging van de ketelbelasting
x
en door injectie van stoom, verlagen het rendement dusdanig dat ze niet
aantrekkelijk zijn om toegepast te worden.
|0.!o1. Meertrapsbranders
De EPA heeft een meertrapsbrander ontwikkeld welke weergegeven wordt in
Figuur 10.3o Deze brander beperkt de NO -vorming met behulp van meerdere
x
principes:
- verlaagde piektemperatuur vermindert de hoeveelheid thermisch-NOx,
- een lage zuurstof!brandstofverhouding bij piektemperatuur verlaagt de
vormin~ van the~~is~h-NOx;
- een lange periode waarin het kooldeeltje wordt verhit, waardoor veel
brandstofgebonden stikstof vrijkomt in vluchtige bestanddelen, zodat
tij.dens het uitbranden van de teer minder brandstof-NO wordt gevormd;
- een lage zuurstof/brandstofverhoud&ng tijdens de verbranding van de
vluchtige bestanddelen vermindert de vorming van brandstof-NOx;
- een verminderde brandstof/luchtmenging tijdens de verbranding van de
vluchtige bestanddelen beperkt de vorming van brandstof-NO .
X
In Figuur I0o3~ wordt het getrapte verbrandingsprofiel getoond. Dit type
brander is alleen geschikt voor installaties met branders in de wanden°
Voor tangentieel gestookte installaties die al een lage NO -emissie hebx
ben, is het zgn° "rieh fireball" concept ontwikkeld om de NO -emissie
x
nog verder terug te dringen (zie Figuur I0.4.). De branders zijn zodanig
geplaatst dat in het midden van de verbrandingsruimte een draaiende vuurbal ontstaat° Een verminderde toevoer van primaire lucht en een injectie
van secundaire lucht dicht bij de wand veroorzaken een zuurstoftekort in
het centrum van de vuurbal, waardoor minder brandstof- en thermisch-NO
x
gevormd worden. Tegelijkertijd voorkomt de oxyderende conditie bij de
wand van het fornuis corrosieproblemen.
- 65 -
TERT;AIRE VERBRANDINGSLUCHT
SECUNDAIRE VERBRAND[NGSLUCHT
BUITEN
BINNEN
ZEER BRANDGELEIDELIJKE TOENAIME
STOFRIJKE ZONE
V~RBRANDINGSLUCHT
OVERMAAT EUEHT TB.V EEN
GOEDE UITBRAND
Fim~ur 1~.’~". Meertra~sverbranding in een Im.~ ~~~-brander van de EPA 1291
- 66 -
De ontwikkeling van de meertrapsbrander bevindt zich in het proeffabriekstadium, terwijl enkele contracten zijn afgesloten voor testprogramma’s
op twee industríële ketels (50 tot 250 ton stoom per uur) en twee centrale ketels (100-300 MWe) o Deze testprogramma’s àienen eind 1983 afgerond te worden 1291. In dezelfde periode wordt samen met Combustion
Engineering een testprogramma voor het "rich fireball" concept afgewerkt.
Uit proeffabriektesten blijkt dat voor zowel de meertrapsbrander als voor
de "rich fireball" brander de NO -emíssie kan worden beperkt tot 85 à
x
IB0 g/GJ. Deze niveaus dienen bewezen te worden tijdens de testen met
commerciële installaties°
10.I.2. Gecombineerde NO /SO -verwijderin~
Met een aangepaste versie van de EPA-meertrapsbrander is het mogelijk
kalksteen te injecteren zodat tegelijke met de NO -reductie een verwijx
dering van SO2 plaatsvindt. De verbrandingswarmte calcíneert de kalksteen
en de ontstane kalk reageert met de SO2 uit de kool to~ calciumsulfiet
en calciumsulfaat. De reactieprodukten worden samen met de vliegas afgerangen. Een schema van het proces is weergegeven in Figuur 10.5.
Vanaf ca. 1960 zijn in verschillende landen testprogramma’s uítgevoerd.
In het begin waren de resultaten niet erg succesvol. Het zwavelverwijderingspercentage bleef lager dan 40 procent, terwijl de kalsteeninjectie
hoog was. In Figuur 10.6. en Tabel 10.1. wordt een overzicht gegeven van
het uitgevoerde testwerk.
Recente testen met de meertrapsbrander in Duitland en de VS geven betere
resultaten. Zwavelverwijderingspercentages van 50% met een stoichiometrische verhouding (Ca/S) van I, tot 80% met een Ca/S-verhouding van 3
zijn aangetoond. De verbeterde zwavelverwijdering wordt waarschijnlijk
veroorzaakt door de vorming van calciumsulfide in de reducerende omgeving van de vlam 129~. De resultaten van deze testen zijn als zwarte
stippen in Figuur 10.6o uitgezet.
Volgens de EPA kan met het LIMB-proces (limestone injection/multistage
burner) een S02-verwijderin~ bereikt worden van 50 - 70 procent bij een
Ca/S-verhouding van 2 - 3. De NO -emissie zal beperkt worden tot 130 g/GJ
x
- 67 -
KALKSTEEN A
O
KOLEN ~
i"1
~
VERPOEDEREN
SCHONE
ROOKGASSEN
DEELTJES FIBER
MEERTRAPSBRANDERS
AFVAL
VERWUDERIN-~Figuur 10.5. Sche~~,a van het Li~estone Injection MultistaFe Brander Proces
- 68 -
80
70
50
40
3(3
20
10
QO
Figuur ~0.6. S02-verwijderingspercenta~e als functie van de ca/S-verhouding voor de ~era~£orteerde kalksteen- en dolomietinjectieprocessen
ONDERZOEKER
NO
I Wisconsin Eleetrie Co.
BRANDSTOF
SORBENT
Kool
Gemalen dolomiet
2
Detroit Edison Co.
Kool
Gemalen dolomiet
3
SteaZ (W. Germany)
Kool
Gemalen kalksteen
4
Kansas Power & Líght
Kool
Kslksteen
Kool
Dolomiet
Kool & Gas
Dolomiet
(CGE, Inc.)
5
Union Electric Coo
(CGE, Inc.)
6
Energopomiar (Poland)
7
Central Research InstiLute
of Electric Power (Japan)
Olie
Kalksteen
8
Republic Coal & Coke
Kool
Dolomiet
9
Republíc Coal & Coke
Kool
Kalksteen
10
General Motors
Kool
Dolomiet
]|
General Motors
Kool
Kalksteen
12
Tennessee Valley Authority
Kool
Kalksteen
Kool
Kalksteen
13 UOP
]4
RWE (W. Germany)
Kool
Kalksteen
15
Steinmüller (W. Germany)
Gas
Kalksteen
16
EERC
Kool
Kalksteen
Bron~ TVA, 1973.
Tabel I0.I, Overzicht onderzoek naar kalksteen- en dolomietin~ectieproce~sen
- 69 -
De eenvoud v~n het LIM~-systeem m~akt het geschikt voor inbouw in bestaande installaties. Problemen zouden kunnen ontstaan ten ~evolge van
asafzetting en vervuiling van de pij~enb~ndels en een teename bij het
afvangen van de vliegas en van het afvalprodnkt.
Een uitgebreid onderzoekprogramma va~ de EPA (kosten f 33 miljoen) zal
zich richten op het vinden van oplossingen voor deze problemen.
10.2. Roosterketels
Roosterketels hebben over het algemeen lagere NO -emissieniveaus dan
x
poederkoolketels. De spreader-stoker, waar een gedeelte van de keel in
suspensie boven het bed verbrandt, heeft een 200 tot 300 ppm hogere emissie dan de installaties waarin alle keel in het bed wordt verbrand.
In Tabel 10.2. staan de emissies van drie typen roosterketels vermeld.
Type
~Ox-emissie, ppm (3Z 02)
Underfed
250 -
Overfed
200 - 300
Spreader
300 - 600
Tabel 10.2. NO -emissie roosterketels 131~
x
De belangrijkste bron van NO -vorminB bij verbranding op een tooster ontstaat door omzetting van brandstofgebonden stikstof. Bij een spreaderstoker vindt, naast een bijdrage van brandstof-NOx, ook vorming van
thermisch-NO plaats ten gevolge van de gedeeltelijke verbranding van
x
keel in suspensie boven het hed, waardoor een hegere NO -emissie ontstaat.
x
Een roosterketel biedt weinig mogelijkheden tot wijziging in de verbranding om de NO -vorming te verminderen. Een lage luchtovermaat tijdens de
x
verbranding is nog het meest effectief. Een vermindering van het emissieniveau van meer dan 10% ten opzichte van de in Tabel ]0o2~ opgegeven waarden is niet te verwachten°
Een andere mogelijkheid is de installatie van speciale luchtpoorten boven
het bed om aldus een soort getrapte verbranding te realiseren. Ook zou
koelíng van het tooster een gunstige invloed op het NO -emissieniveau
x
hebben. Er is echter nog weinig onderzoek verricht naar dit soort problemen.
- 70 -
Il. DE VERWIJDERING VAN STIKSTOFOXYDEN UIT ROOKGA$SEN
Algemeen
Wanneer zeer stringente NO -emissieniveaus van kracht zouden worden (minK
der dan 0,09 kg/GJ) komt verwijdering van NO uit rookgassen in aanmerx
king. Meer dan 50 van deze processen zijn reeds bekend. De processen kunnen onderscheiden worden in natte processen, waarbij gebruik gemaakt wordt
van een vloeistof die met NO reageert, en droge processen, waarbij een
x
gas, al of niet samen met een katalysator, met NO reageert.
x
De natte processen zijn minder ver in ontwikkeling dan de droge. Eén van
de belangrijkste redenen hiervoor is dat in Japan, waar men het meest gevorderd is in de ontwikkeling van deze processen, bijna uitsluitend droge
de
gecombineerde
vanhiervan
SO2 en is
NOxdat
niet
aantrekkelijk
zijn
procédés
toepast.verwijdering
De achtergrond
demeer
natte
processen voor
doordat de markt voor gips, één van de bijprodukten van deze processen,
verzadigd is.
De status van de verschillende procédés in Japan is als volgt [231:
- katalytische reductie met ammoniak is de meest voorkomende technologie;
- niet-katalytische processen bevinden zich in het demonstratiestadium;
- voor de natte processen is een ~ecombíneerde SO2/NOx-verwijderin~ de
beste keus. Een nadeel is echter he~ complexe bedrijf van deze processen.
11.2. Natte processen
Eén van de voordelen van de natte processen is dat een gelijktijdige reductie van NOx- en S02-emissies tot de mogelijkheden behoort. Het grootste deel van de NO in de rookgassen is aanwezig in de vorm van NO (ca.
x
95%), dat chemische betrekkelijk inert is en niet gemakkelijk door vloeistoffen geabsorbeerd wordt. Om de absorptie van NO beter te laten verlopen zijn drie versehillende methoden mogelijk:
I. Oxydatie van NO tot NO2 in de gasfase voorafgaand aan de absorptie.
2. Partiële oxydatie van N0 tot gelijke moleeulaire hoeveelheden N0 en
NO2 aanwezi~ zijn. Tengevolge van de vorming van nitriet vindt ~bsorptie plaats.
3. Gebruik van een opgeloste katalysator om NO-absorptie en vorming van
-71 -
stikstof/zwavelverbindingen te bevorderen.
De eerste twee processen zijn dermate duur dat hun toekomst met betrekking tot commerciële toepassing twijfelachtig is, De derde methode heeft
wat meer kans, alhoewel hierbij ook knelpunten optreden.
11,2.1. Scrubbers zonder voorafgaande .~_xydatie van NO
Bij di~ procédé wordt een opgeloste katalysator gebruikt, meestal ethyleendiaminetetra-azijnzuur (EDTA). SO2 wordt geabsorbeerd door stoffen
als Na2SO3 of NH4OH. Deze verbindingen spelen vervolgens weer een rol bij
de reacties met het m.b.v, het EDTA geabsorbeerde NO. Daar per molecuul
geabsorbeerd NO minstens drie moleculen SO2 nodig zijn, is deze methode
minder geschikt voor installaties gestookt met laagzwavelige steenkool
[231 (minimaal vereist 2% S in de keel, uitgaande van 1,5% N).
II.2.2. Scrubbers met voora~$~ande 2~~datie van NO
Een in Japan op commerciële schaal toegepast proces is het Chiyoda CT-102proces. NOx wordt geoxydeer~ met ozon en samen met SO2 geabsorbeerd in
verdund zwavelzuur. Het extra gevormde zwavelzuur wordt met kalksteen
behandeld, waarbij gips als eindprodukt ontstaat. Bij het stoken van
kolen kan door,accumulatie van chloriden in het zwavelzuur aantasting
van materialen optreden t.g.v, corrosie [4I.
De belangrijkste factor in de bedrijfskosten van dit proces wordt gevormd door de elektriciteitskosten ten behoeve va- de ozonproduktie.
Voor een 500 ~~ kolengestookte installatie met 600 ppm NO in de rooke
gassen waren volgens een schatting de kosten voor de oxydatie f l]O/kW
voor de vaste kosten en I ct/kWh voor de bedrijfskosten 1231. Met deze
kosten is dit proces te duur om concurrerend te zÍjn met andere NO -verx
wijderingsmethoden.
11o2o3. Afvalprodukten van natte.processen
Het belangrijkste afvalprodukt van deze processen is nitraathoudend afvalwater. Uit milieu-overwegingen en gezien de slechte kwaliteit van het
oppervlaktewater in Nederland kan dit niet zonder meer geleosd worden.
Nitraathoudend afvalwater kan met methanol en m.b.v, bacteriën omgezet
worden in onschadelijke verbindingen:
- 72 -
5CH30H + 6NO3 bacteri-~n 5C02 + 3N2 + 7H20 + 60H
Chiyoda heeft een kostenschatting voor dit proces gemaakt voor een installatie die het afvalwater van het CT-102-proces zou behandelen~ Er
is uitgegaan van een 200 MWe -installatie en een NOx -reductie van ]20 tot
30 ppm. De hoeveelheid afvalwater die hierbij gevormd wordt, bedraagt
I0 m3/hr met een nitraatgehalte van 3300 ppm, wat teruggebracht werd tot
30 PPm NO3 o De totale investering van deze afvalinstallatie was
f 1.200.000,--~ terwijl de jaarlijkse bedrijfslasten 0,60 ct/kWh bedroegen 123[.
In bepaalde gevallen zou het afvalwater van deze processen wanneer ze
zich niet te ver van een grote afvalwaterzuiveringsinstallatie (cao 100.000
inwonerequivalenten) bevinden, hierin geloosd kunnen worden°
Een 1000 MW -centrale levert ca. 1325 m3 Der dag aan afvalwater. Dit komt
e
overeen met ca. IO.O00 ioeo Een afvslwaterzuiveringsinstallatie voor
100.000 i.e. heeft een capaciteit van ca~ 19.000 m3 per dag.
11o2.4. Resumé natte Drocessen
Het verwijderingsrendement van deze processen ligt tussen 50 en 80%.
De voordelen van natte processen zijn:
- de mogelijkheid tot gelijktijdige verwijdering van NOx en SO2",
- de verhitting van de rookgassen tot 350 à 400 °C (zoals bij selectieve
katalytische reductie) is niet nodig;
- bijprodukten kunnen als kunstmest gebruikt worden (kaliumnitraat,
ammoniumsulfaat).
Nadelen zijn:
- voor de meeste processen is een duur oxydatiemiddel nodig;
- naast NO2 reageren S02, CO2 en water ook. Dit maakt een grote absorptieinstallatie noodzakelijk;
- voor het terugwinnen van nuttige bijprodukten is veel energie vereist;
- het spuien van nitraat- of nitrietbevattend water is uit milieu-overwegingen niet wenselijk. Het verwijderen van deze stoffen uit het afvalwater brengt extra problemen met zich mee.
- 73 -
11o3. Droge processen
Deze processen kunnen onderscheiden worden in:
- katalytische reductie (selectief, niet-selectief);
- selectieve, niet-katalytische reductie.
Iio3.1.
Selectieve katalytische reductie met ammoniak
De selectieve katalytische reductie van NOx met NH3 wordt vooral in
Japan het meest toegepast. NH3 en NOx worden in contact gebracht met een
katalysator op een dragermateriaal. De katalysator is een zwaar metaal
of een edelmetaal (platina). Gewoonlijk wordt een NH3/NOx-molverhouding
van 1,0 à 1,5 aangehouden. De volumedebieten aan rookgas variëren van
4000 à 7000 Nm3/hr/m3 katalysator voor een edelmetaal. De verwijderingsefficiency ligt op ca. 90%.
Een nadeel is dat de meeste katalysatoren gevoelig zijn voor stof (vliegas) en vergiftigd worden door S02, zodat een verwijdering van deze stoffen voordat de NO -reductie plaatsvindt, noodzakelijk is. In dit geval
x
dienen de rookgassen die na een nat ontzwavelingsproces tot een temperatuur van ca. 55 °C zijn afgekoeld, weer tot 350 à 400 °C verhit te worden°
Het energieverbruik van deze processen is daarom hoog.
~n verstoppingen van de katalysator door vliegas te voorkomen, wordt in
de reactor een speciale paralleldoorstroompakking toegepast [231.
Op commerciële sehaal wordt het proces in Japan gebruikt voor olie- en
gasgestookte ketels. De kapitaalkosten liggen tussen de f 60 en f 120/kW .
e
Voor kolengestookte installaties zullen deze hoger zijn t.g~v.:
- maatregelen om vliegas te verwijderen;
- extra voorzieningen met betrekking tot de reactor lay-out;
- duurdere katalysator in verband met een parallel doorstroombed.
11o3.2. Niet-katal~tische reductie met ar~noniak
Bij de niet-selectieve processen wordt een zodanige hoeveelheid reductiemiddel in de rookgassen gebracht welke voldoende is om alle oxydeerbare
bestauddelen (02, S02, NO ) te reduceren~ De selectieve niet-katalytische
x
reductie van NO bevindt zich nog in een proefstadium. Bij deze technolox
gie wordt binnen een beperkt en kritisch temperatuurgebied (ca. 980 °C)
een selectief reductiemiddel in de vorm van ammoniak of een ammoniak le-
- 74 -
verend produkt in het hete rookgas gelnjecteerd. De NO -reductie varieert
x
tussen 50 en 80% met een gemiddelde reductie van 60% ~9~.
Overmaat NH3 en uit SO2 gevormd SO3 vormen de grootste problemen bij bovenstaande proeessen. Enerzijds houden ze een gevaar in voor het milieu,
anderzijds kunnen ze aanleiding geven tot ernstige corrosieproblemeno
Bijvoorbeeld door combinatie van SO3 en water of van SO3 met NH3 ontstaan
corrosieve componenten die veel schade kunnen aanrichten (NH4HSO4).
Een belangrijk aspect in de economische afweging is de behoefte aan NH3.
Voor een 500 ~~W -installatie met een NO -reductie van 90%, uitgaande van
e
x
0,25 kg/GJ, is voor een selectief katalytisch proces 6000 ton/jaar NH3
nodig ~l81.
Een nadeel van de processen die ammoniak gebruiken, is het gevaar dat
ammoniak met lucht een e~losief mengsel kan vormen. De onderste en bovenste explosiegrenzen zijn respectievelijk ~5,5 en 27,0 volumeprocenten
NH3 123~o
De belangrijkste van deze processen die gelijktijdig SO2 en NOx verwijderen, zijn:
- het actieve koolprocédé (Reinluft procédé, Davy Power gas);
- het koperoxyde procédé (Shell).
Bij een actief koolprocédé worden S02 en NO geoxydeerd en aan de actieve
kool geadsorbeerd als H2SO4 en NOx. Bij regeneratie wordt de NOx door de
koolstof gereduceerd tot moleculaire stikstof en water.
NO -verwijderlngsrendementen variëren van 15 tot 60% 141.
x
Het koperoxydeproces is een droog proces waarbij SO2 bij 400 °C reageert
met CuO onder vorming van CuS04o Door injectie van ammoniak wordt tot 70%
van de NO verwijderd. NO wordt omgezet tot moleculaire stikstof en water,
Voor een nadere beschrijving van deze processen wordt tevens verwezen
naar hoofdstuk 4 en naar referentie 141.
- 75 -
12~ NO -VORMING TEN GEVOLGE VAN ANDERE KOOLCONVERSIETECHNOLOGI~N
--Xr
12.1. FBC-installaties
Het NO -emi~sienivesu vsn een AFBC-instsllstie verschilt niet veel van
x
dat van een conventionele installatie. Hoewel er belsngrijke verschillen
voorkomen, ligt voor een atmosferísche FBC-instsllatie het NO -emissieniveau bij ca. 0,20 kg/GJ (350 ppm). Voor een PFBC-installatie is dit
lager: 0,13 kg/GJ (230 ppm) [7I. Deze waarden liggen onder de huidige
EPA-norm van 0,21 kg/GJ (375 ppm). Toepassing van F~C-installaties onder
de nu geldende EPA-normen zou dus NO -emissiebeperkende maetregelen overX
bodig maken. Bij de verwachte strengere normen in de toekomst zullen voor
AFBC-installaties extra beperkende maatregelen noodzakelijk zijn ~35~.
12.2. Vergassing
Bij vergassing van steenkool wordt in de vergasser zelf geen NO gevormd
x
ten gevolge van de reducerende omstandigheden waaronder dit proces plaatsvindt. Stikstofverbindíngen in de steenkool worden omgezet in moleculaire
stikstof en voor een gering gedeelte in ammoniak.
Vergassingsinstallaties maken gebruik van stoom!lucht- of stoom/zuurstofmengsels als ver~assingsmedium. Stoom wordt tevens gebruikt bij de produktíe van SNG t.b.v, de shift conversie reactie. Deze stoom wordt via
ondervuring opgewekt. Een volledige vergassingsinstallatie zal dus t.goV.
deze stoomopwekking een zekere hoeveelheid NO emitteren afhankelijk van
x
de gebruikte brandstof. In referentie 1281 worden voor verschillende vergassingsinstallaties en koolsoorten de hoeveelheden NO vermeld.
x
Een Lurgi-installstie wet een vermegen van 3000 ~~Ttb voor de produktie
van een hoogcalorisch gas produceert ca. 1,9 kg NO per ton steenkool met
x
de aanname dat voor de stoomopwekking ook steenkool wordt gebruikt. De
gasvormige produkten kunnen, afhankelijk van het toegepaste vergassingsproces, naar hun verbrandingswaarde ingedeeld worden in laag-, middenof hoogcalorisch gas. Bij het verbranden van deze ptodukten zullen de
NO -emissies afnemen bij afnemende verbrandingswasrde. De vlemtemperatuur
x
van een laagcalorisch gas (ca. 1750 °C) is lager dan die van een hoogcalorisch gas (ca. 2000 °C) 1241. Tengevolge hiervan ontstaat er bij verbranding van een laagcalorisch gas minder thermisch-NO dan bij een hoogx
calorisch gas. Vorming van brandstof-NO vindt nauwelijks plaats doordat
x
- 76 -
slechts zeer geringe hoeveelheden chemisch gebonden stikstof aanwezig
zijn. De totale NO -emissie bij verbranding van een laagcalorisch gas
x
(4,5 MJ/Nm3) is zeer laag en bedraagt ca. 0,01 kg/GJ (~ 15 ppm) ~161.
Bij een hoogcalorisch gas zijn de NO -emlssies cao 0,2 kg/GJ bij normaal
x
stoken en ca. 0,] kg/GJ bij getrapt stoken.
12.3. Liquefactie
De drie belangrijkste processen voor het vloeibaar maken van steenkool
zijn directe liquefactie, indirecte liquefactie en pyrolyse.
Bij directe liquefactie wordt de kool in een kolen/olieslurrie gehydrogeneerd onder hoge druk (~ 130 bar) en temperatuur (~ 450 °C). Bij indirecte liquefactie wordt de kool eerst vergast en daarna katalytisch omgezet (Fischer/Tropsch-synthese) in vloeibare koolwaterstoffeno Pyrolyse
is het proces waarbij door verhitting van de kool gasvormíge en vloeibare
produkten ontstaan.
Bij deze processen zelf worden geen stikstofoxyden gevormd. De ruwe produkten echter van de directe liquefactieprocessen, bevatten aanzienlijk
meer stikstof dan de corresponderende petroleumfracties, wat resulteert
in hogere NO -emissies tijdens de verbranding.
x
Door katalytische behandeling van deze ruwe produkten met waterstof wordt
het gehalte aan stikstof, zwavel en sporenelementen zover teruggebracht,
dat ze geschikt zijn om als brandstof dienst te doen in ketels en gasturbines (zie Tabel 12.1o).
Het gedrag van SRC II liquefactieprodukt als brandstof in ketels tijdens
testwerkzaamheden uitgevoerd, door Babcock & Wilcox en KVB, was gelijk
aan dat van No~ 2 stookolie met als enige uitzondering een hogere NO x
emissie. Bij een test waarbij ca. 700 m3 SRC II in een grote tangentieel
gestookte ketel werd verstookt, was de NO -emissie 70% hoger dan bij gex
bruik van een laagzwavelige No. 6 stookolieo De emissie bleef echter over
het gehele capaciteitsgebied van de ketel onder de 400 ppm grens die de
EPA in mei 1979 heeft voorgesteld. Het effect van het gebruik van SRC II
produkt op de NO -emissie in vergelijking met een No. 6 en No. 2 stookx
olie is duidelijk te zien in Figuur 12.1. Figuur J2.2. toont het effect
van een toenemend deel SRC I1 in een mengsel met No. 6 stookolieo In beide figuren is de gunstige invloed van tweetrapsverbranding op de NO x
emissie aangegeven° Voorverhitting van de verbrandingslucht veroorzaakt
een hogere emissie bij gebruik van SRC II, zoals te zien is in Figuur
1~.3. 1241.
Fuel properties
Hydrogen, %
No. 2 oil
12,9
Raw
Mild
7,4
8,9
~RC-I liquids
H-coal distillate
Hydrotreatment
Hydrotreatment
Moderate
10,3
Severe
Raw
Mild
Severe
|I,0
9,]
10,5
11,7
Sulfur, %
0,093
0,37
0,06
O,01
O,Ol
0,I0
<0,002
<0,002
Nitrogen, %
0,008
0,62
0,44
0,1l
0,02
0,39
0,]2
0,04
3,9
2,4
0,6
0,2
1,5
0,3
0,2
Oxygen, %
<0,1
Trace contaminants
Titanium, ppm (wt)
<I
20
--
<I
<I
Sodium, ppm (wt)
0,55
0,39
I,l
0,08
0,05
0,59
0,36
0,36
Potasslum, ppm (wt)
0,37
0,~9
0,22
0,03
O,OI
0,08
0,04
0,04
Calcium, ppm (wt)
0,~7
0,35
0,23
0,~2
0,~2
0,14
0,0~
0,0!
0,!
0,!
0~~
Vanadium, ppm (wt)
<0,1
0,9
<0,I
0,2
<0,1
Lead, ppm (wt)
--
0,9
0,9
0,6
0,3
<l
Iron, ppm (wt)
0,2
61,0
2,3
1,5
3,4
10,3
5,7
3,6
Chloride, ppm (wt)
--
35,0
17,0
5,0
4,0
5,3
]3,0
19,5
23,4
|4,7
~8,8
23,2
<l
<1
Gravity~ deg API
33,6
Aromatic carbon, %
19
74
66
46
34
55
42
27
]53
~80
87
48
62
~95
190
175
Flash point, F
Higher heating value, Btu/Ib
19.500
;6.920
17.730
~8.570
18.900
18.080
18.630
19.040
Kinematic viscosity, cs at ~OOF
2,6]
5,7’9
3,43
2,20
2,00
3,00
2,44
2,17
Kinematic viscosity, cs at 2;OF
~,09
1,48
1,I0
0,93
0,90
....
Tabel !2.1. Effect van hydrotreatment op liquefactieprodukten [24[
1,06
- 78 -
LUCHTFACTOR RIJ DE BRANDERS, %
~
Figuur 12.1. Effect van het ~_ebr~ti~ ~,sn ,~~C !! orodukt op de NO -emissie
x
in vergelijking met NO. 2 en NO. 6 stookolie 1241
NOx EMISSIE PPM 39; 02 IN ROOKGAS
800
NOx EMISSIE PPM 3 % 02 IN ROOKGAS
100%
700
600
500
400
30O
200
100
6
1oo
12o
14(3
36o
18o
LUCHTFACTOR BIJ DE BRANDERS, % ~
6’0
810
I
100
,
120
~
140
i
160
Figuur 12.2. Effect van de invloed van
Figuur ]2.3. Invloed van voorverhitting van
het aandeel SRC Il in een mengsel met
verbrandingslucht op de NOx-emissie 124~
stookolie No. 6 op de NO -emissie 1241
18(
LUCHTFACTOR BIJ DE BRANDERS, % ~,
- 79 -
KOSTEN VAN NO -EMISSIEBEPERKENDE MAATREGELEN
Eén van de belangrijkste aspecten van NO -reducerende maatregelen zijn
de kosten. Kostencijfers dienen met het nodige voorbehoud ge~nterpreteerd
te worden.
Veel processen verkeren nog in een beginstadium, zodat de gepresenteerde
cijfers meer als een voorlopige raming dan als harde getallen bescheuwd
moeten worden.
|3.1. Maatregelen voor wijziging van het verbrandingsproces
In Figuur 13.1. wordt de effectiviteit van NO -reducerende maatregelen
die het verbrandingsproces wijzigen, gerelateerd aan investerings- en
jaarlijkse produktiekosten voor een 600 MW -centrale 1201. uit de figuur
e
blijkt dat bij een NO -emissieniveau van ca. 0,17 kg/GJ (280 ppm) het
niet meer aantrekkelijk is extra te investeren in NO -beperkende maatx
regelen.
KAPITAALSKOSTEN
6
4
8
10
(f/kW)~
12
O35
020
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
JAARLIJKSE PRODUKTIE KOSTEN (ct/kWh)~
Figuur
13.1. Relatie tussen de vaste en variabele kosten van NO -emissie-
beperkende technieken en de NO - emissie van een 600eNW-centrale
x
De investeringen in de meertrapsbrander en de "rich fireball" brander
zijn gering. Voor de meertrspsbrander f |0 tot f 20 per kW en voor de
e
"rich fireball" branders f 2 tot f 6 per kW . De jaarlijkse kosten voor
e
deze branders bedragen 0,04 - 0,08 ct/kWh.
Voor het LIMB-proces zijn de kapitaslskosten opgebouwd uit kosten voor
kalksteenbehandeling, branders, deeltjesafvangapparatuur en afvalverwijdering:
f/kW
e
Kalksteenbehandeling
6 - 10
Meertrapsbranders
I0 - 20
Deeltjesverwijdering
10 - 30
Storten van afval
Totaal
~ -
8
30 - 68
De jaarlijkse kosten worden geschat op 0,58 - 0,72 ct/kWh.
13.2. Verwijdering van N~í uit. de rookgassen
Voor de natte processen zonder voorafgaande oxydatie van NO en met ~elijktijdige S02/NOx-verwijdering, worden voor een 500 MWe kolengestookte
installatie kapitaalskosten opgegeven van f 500/kW en jaarlijkse kosten
e
van 2,2 ct/k~~h 1231. Bij de natte procassen waarbij NO vooral wel geoxydeerd wordt, komen hier de kosten van de oxydatiestap nog eens bij. uit
een EPA-studie blijkt dat met deze extra kosten voor de oxydatie van NO
met ozon voor een 500 MW kolengestookte installatie de kapitaalskosten
e
f 106/kW en de jaarlijkse kosten 0,9 ct/k~~ bedragen 1251. Deze kosten
e
elimineren dit procédé als een reëel alternatief. Voor de selectieve katalytische reductie met ammoniak wordt voor de kapitaalskosten een range
opgegeven van f 60 tot f 120/kW en 0,4 tot 0,8 ct/kWh voor de jaarlijkse
e
kosten. Exxon rapporteert voor niet-katalytísche reductie met ammoniak
in een oliegestookte installatie kapitaalskosten van f 24/kW en jaare
lijkse lasten van 0,01 - 0,2 ct/kWh met een NO -reductierendement van
x
50%. Voor een kolengestookte installatie worden minstens viermaal zo hoge
hedrijfskosten verwacht 1261.
Van de overige processen zijn nog weinig kostencijfers bekend°
Sumitomo Heavy Industries geeft voor hun actieve koolproces kapitaalskosten van f ~20!kW voor een 16~ ~~ -plant. Een kostenschatting van UOP
e
e
voor het Shell ko~eroxydepreeee levert ka~itaalskosten van f 270/kW ~231~
e
-8] -
]4. REFERENTIES
Persoonlijke mededeling van de Noorse delegatie op de NATO-CCMSstudie "Rookgasontzwaveling", Saarbrücken, 22 september ]976.
121
Van der Brugghen, F.W., et al., Technologische methoden voor beperking van de S02-emissie. Commissie TNO voor het onderzoek ten dienste van het milieubeheer, november ]978.
Prior, M., The control of sulphur oxides emitted in coal combustiono
Economic Assessment service IEA London, December ]977.
~4~
Bosma, R., Rookgasontzwaveling. Energie Studie Centrum (ECN), mei
]979.
Torstrick, R.L., S.V. Tomlinson~ J.R. Byrd, J.D. Velth, Preliminary
report NATO-CCMS (phase ]2), FGD Applicability Study, T.V.A., ] May
1979.
Pfadt, S., R. Lach~ Recent research on safe storage of pyrite
containinz coal refuse, Second ECE seminar on desulfurization of
fuels and combustion gas, ~ashington DC, ]0-20 November ]975.
Verbeek, L., P.J. Poolman, J.B. Fortuin~ Fluidized Bed Combustion
of Coal, Toepassing in Nederland, Comprimo B.V., Amsterdam, ]4 juli
]978.
81
Gas en elektriciteit in Nederland; een toekomstverkenning, TNO/ECN,
1979.
9[
Pearse, J.D., M.A. Seaman, Long term economic consequences of NO
X
and SO2 abatement, METRA, London, A~ril ]978.
~]0[ Rusk, E., A.V. Slack, Status Report on flue gas desulfurization
at coal-fired power plants, Utility air regulatory group, Alabama~
January ]979.
Het SO2-beleidskaderplan, Tweede Kamer der Staten-Generaal, Zitting
1979-1980, No. 15834, nrs. I-2, ISBN90 12 0277]3.
112I Persoonlijke mededeling van de Chinese delegatie op de 4e bijeenkomst van de "Wereld Kolen Studie" (WOCOL) welke gehouden werd van
28/9 t/m 3/]0 in Hot Springs (USA).
I]31
Moser, E., Assessment of current flue gas desulfurization technology,
Coal Technology ’79, 2nd international eoal utilizatíon conference
and exhibition, Conference papers vo!. 2, page 175-200o
Meyler, J.A., Flue gas dry scrubbinH in the industrial sector: a
practical air pollutíon control technique, Coal Technology ’79,
2nd international coal utílization conference and exhibition,
Conference papers vol. 2, page 231-246.
CBS, Statistisch bulletin, no. 80, oktober (]979).
Het verminderen van NO -uitworp van vuurhaarden, Verslagen. Adviezen.
Rapporten, no. 6., Ministerie van Volksgezondheid en Milie~hygiëne
(]978),
Bestrijding van de luchtverontreiniging, Verslagen. Adviezen.
Rapporten, 56, Ministerie van Volksgezondheid en Milieuhygiëne (]976).
Cichanowicz, J.E., Controlling Oxides of Nitrogen, EPRI Journal,
June ]979, 22.
Locklin, DoW., et al., Power Plant Utílization of Coal, Battelle,
Columbus LaboraLories, 0hio, USA (1974).
Thompson, R.E., T.W. Sonnichsen, H. Huang, Assessment of Current
and Advaneed NO Control Teehnology for Coal Fired Utility Boilers,
x
Argonne National Laboratory, Illinois (1978).
1211
Dykema, O.Wo, Combustion Modification Effects on NO -Emissions
x
from Gas-, Oil- and Coal-Fired Utility Boilers, Aerospace Corp.,
EI Segundo, Callfornia (1978).
Brachett, C.E., J.A. Barsin, The dual register pulverized coal
burner, Proceedings of the NO Control Technology Seminar, EPRI,
Sari Francisco (]976).
- 83 -
1231
Rosenberg, H.Ao, et al., Control of NO -emissions by Stack Gas
x
Treatment, Battelle, Columbus Lab., FP-925, (1978).
Schwieger, R.G., Burning Tomorrow’s Fuels, Power, VOlo 123, No. 2,
Eebruary (1979).
[25[
Narrison, G.W., Teehnology and Economics of Flue Gas NO Oxidation
x
by Ozone, EPA-600/7-76-022, December (1976).
~26ì
Tenner, A.R., An~onia Injectlon for Utility Boiler NO Control,
x
NO Control Technology Workshop, Pacific Grove, California,
x
(October 25-28, 1977).
1271
Farber, P.S., Persoonlijke mededeling, Argonne National Laboratory,
November (1979).
(28I
Menchen, W.R., et al., Environmental Impacts, Efficiency and Cost
of Energy Supply and End Use, Volume II, Hittman Associates,
Columbis (1975).
Advanced Technologies for the Contro! of Air Pollution from Coal
Combustion, NATO-CCMS Conference, Copenhagen, September 1980.
1301
Janssen, K.E., R.L. Eriksen, Basin Electrics Involvement with Dry
Gas Desulfurization, EPA Symposium on FGD, March 5-8, 1979.
131[
Current and Advanced NO Control Technology for Coal-Fired Industrial
Boilers, Argonne National Laboratory, ANL/ECT-4, December 1978.
132]
Nota Energiebeleid, Deel 2/Kolen, Tweede Kamer der Staten-Generaal,
Zitting 1979-1980, nOo 15802, februari 1980o
133~
Info Bronswerk, augustus 1980o
1341
Proeeedíngs of the 6th International Conference on FBC, April 9-11,
1980, Atlanta, ugA, Conf.-800428 Vol. Io~ August 1980o
1351
Morríson, G.P., Nitrogen Oxides from Coal Combustion, IEA Coal
Research, London, November 1980.
- 84 -
~361
Buschmann, J.C., E.L. Rasmussen, S.M. Kaplan, Disposal of Wastes
from Dry SO2 Removal Processes, Presented at: Joint Power Generating
Conference, Phoenix, Arizona, USA~ September 28 - October 2, 1980.
137[
Economics of Disposal of Lime/Limestone Scrubbing Wastes, TVA-140,
EPA-600/7-79-069o
- 85 -
LIJST VAN AFKORTINGEN
CBS
Centraal Bureau voor de Statistiek
COD
Chemical Oxygen Demand
EPA
Environmental Protection Agency
EPRI
Electrlc Power Research Institute
EDTA
Ethyleen Diamine Tetra Azijnzuur
(~)~~C
(Atmosferie) Fluidised Bed Combustion
(Pressurised) Fluidised Bed Combustion
FGD
Flue Gas Desulfurization
IEA
Internationaal Energie Agentschap (Parijs)
LIMB
Limestone Injeetion/Multistage Burner
NATO-CCMS North Atlantic Treaty Organisation-Committee on the Challenges
of Modern Society
OECD
Organisation for Economic Cooperation and Development
R & D
Research and Development
SNG
Synthetic Natural Gas
SRC
Solvent Refi~ed Coal
STEG
Stoom- en Gasturbine
TNO
Nederlandse Centrale Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek
TVA
Tennessee Valley Authority
UOP
United 0il Products
VS
Verenigde Staten van Noord-Amerika