Schwermetallströme in Kohlekraftwerken: ein Beitrag zur Planung und Steuerung industrieller Stoffströme bei Kuppelproduktion
Gespeichert in:
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Frankfurt am Main ; Berlin ; Bern ; Bruxelles ; New York ; Wien
Lang
1999
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| Schriftenreihe: | Europäische Hochschulschriften
Reihe 5, Volks- und Betriebswirtschaft ; 2506 |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 1999 |
| Beschreibung: | XXII, 200 S. graph. Darst. |
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Ausgangslage und Problemstellung 1
1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise 4
2 Zur betriebswirtschaftlichen Relevanz der Schwermetalle in Kohle¬
feuerungen 9
2.1 Veränderung der ökonomischen Rahmenbedingungen in der Stromwirtschaft für
kohlebefeuerte Feuerungsanlagen 9
2.2 Brennstoffabhängige und schwermetallinduzierte Folgekosten 11
2.3 Umweltrechtliche Vorgaben und Rechtsgrundlagen zu Schwermetallströmen aus
Kohlefeuerungen 12
2.3.1 Immissionsschutzrechtliche Vorgaben für Schwermetalle 13
2.3.2 Wasserrechtliche Vorgaben für Schwermetalle 14
2.3.3 Abfallrechtliche Vorgaben für Schwermetalle 16
2.4 Zusammenfassende Bewertung der betriebswirtschaftlichen Relevanz der Schwer¬
metalle in Kohlefeuerungen 19
3 Grundlagen zum Verhalten von Schwermetallen in Kohlefeuerungen 21
3.1 Definition von Schwermetallen 21
3.2 Schwermetalle in Stein- und Braunkohlen 22
3.2.1 Herkunft und Verbindungsformen der Spurenelemente in der Kohle 22
3.2.2 Konzentrationen der Spurenelemente in Steinkohlen 24
IX
Inhaltsverzeichnis 3.3 Verhalten von Schwermetallen in Kohlenstaubfeuerungen 25
3.3.1 Verflüchtigung der Elemente 25
3.3.2 Kondensation der Elemente 27
3.3.3 Anreicherung der Elemente im Feinkornbereich 28
3.3.4 Klassifizierung der Elemente bezüglich ihres Anreicherungsverhaltens 30
3.4 Verhalten von Schwermetallen in der Rauchgasreinigung 31
3.4.1 Einfluß der Staubabscheidung auf die Schwermetallströme 31
3.4.2 Einfluß der Rauchgasentschwefelung auf die Schwermetallströme 32
3.4.3 Einfluß der Rauchgasentstickung auf die Schwermetallströme 35
4 Modellierung der Produktionsstruktur von Kohlekraftwerken mit Hilfe
betriebswirtschaftlicher Produktionsmodelle 37
4.1 Klassifikation der Kuppelproduktionsansatze 37
4.2 Abbildung der Kuppelproduktionsstrukturen in betriebswirtschaftlichen Produk¬
tionsmodellen 41
4.2.1 Erweiterung betriebswirtschaftlicher Input-Output-Produktionsmodelle
zur Berücksichtigung von Kuppelprodukten 41
4.2.2 Aktivitätsanalyse zur Abbildung vernetzter Produktionssysteme 49
4.3 Abbildung der Produktionsstruktur von Kohlekraftwerken 50
4.3.1 Analyse des Produktionssystems Kohlekraftwerk 50
4.3.1.1 Gliederung des Produktionssystems in betriebliche Teileinheiten 50
4.3.1.2 Transformationsfunktionen des Produktionssystems 55
4.3.1.3 Einordnung des Produktionssystems in die Kuppelproduktions-Grundtypen.... 64
4.3.2 Aktivitätsanalytische Formulierung des Kuppelproduktionsprozesses der
Energieumwandlung in Kohlekraftwerken 65
4.3.2.1 Aktivitätsanaiytisches Stoffflußmodell des Kuppelproduktionsprozesses 66
4.3.2.2 Erweiterung des Umweltstoffstromvektors zur Berücksichtigung der
chemischen Zusammensetzung der Kuppelprodukte 69
5 Konzeption eines Schwermetall-Stoffstrommodells 73
5.1 Entwicklung eines technischen Produktionsmodells zur Abbildung der Schwer¬
metallströme in Kohlenstaubfeuerungen 73
5.1.1 Grundmodell der Schwermetallströme in Kohlefeuerungen 74
5.1.2 Engineering-Production-Functions für Schwermetallströme in Kohlen¬
staubfeuerungen 76
5.1.2.1 Abbildung der korngrößenabhängigen Schwermetallanreicherung in der
Flugasche von Kohlenstaubfeuerungen 78
X
Inhaltsverzeichnis
5.1.2.2 Abbildung der Korngrößenverteilung des Rohgasstaubes von Kohlenstaub¬
feuerungen 86
5.1.2.3 Abbildung der Abscheidekennlinien des elektrischen Staubabscheiders und
der Kalksteinwäsche 88
5.1.2.4 Berücksichtigung des zusätzlichen Schwermetalleintrages Über Betriebsmittel
in die Kalksteinwäsche 88
5.1.3 Berechnung der Verteilungsfaktoren der partikelgebundenen Schwer-
metalle 91
5.2 Untersuchung der Abhängigkeit der Schwermetallverteilung von der Inputobjektart
und Produktionsintensität 95
5.2.1 Einfluß einer Variation der Inputobjektart auf die Verteilungsfaktoren 95
5.2.1.1 Zusammenfassende Beschreibung der Betriebsversuche 96
5.2.1.2 Auswirkungen einer Variation der Inputobjektart auf die Schwermetali-
anreichemng in der Flugasche 97
5.2.1.3 Auswirkungen einer Variation der Inputobjektart auf die Partikelgrößen¬
verteilung der Flugasche 99
5.2.1.4 Flexibilität der Schwermetall-Kuppelproduktion bei Variation der Input.
objektart 100
5.2.1.5 Validierung des technischen Produktionsmodells 100
5.2.2 Einfluß einer Variation der Produktionsintensität auf die Verteilungs¬
faktoren 102
5.2.2.1 Zusammenfassende Beschreibung der Betriebsversuche und Ergebnisse 102
5.2.2.2 Flexibilität der Schwermetall-Kuppelproduktion bei Variation der PToduMions-
intensität 104
5.2.2.3 Einsatz der Vollast-Parameterwerte im technischen Produktionsmodell für
den Teillastbetrieb 105
5.2.3 Zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse 106
5.3 Erweiterung des technischen Produktionsmodells zur Berücksichtigung der
Schwermetallspeziation 106
5.3.1 Einsatz der Prozeßsimulation zur Bestimmung der Schwermetall¬
speziation im Rauchgas 107
5.3.2 Flexibilität der Schwermetallspeziation im Rauchgas bei Variation der
Inputobjektarten und Prozeßparameter 109
5.3.3 Anwendung der Ergebnisse zur Schwermetallspeziation im technischen
Produktionsmodell 110
6 Anwendung des Schwermetall-Stoffstrommodells und Umsetzung der
Ergebnisse 113
6.1 Schwermetall-Stoffstromanalyse auf regionaler Ebene 113
6.1.1 Schwermetallströme aus Kohlenstaubfeuerungen nach Austragspfad 115
XI
Inhaltsverzeichnis 6.1.2 Beiträge der einzelnen Feuerungstechniken zu den Schwermetall¬
strömen H7
6.1.3 Zusammenfassende Bewertung des Schwermetall-Stoffstrommodells
und dessen Anwendung und regionaler Ebene 122
6.2 Schwermetall-Stoffstromanalyse auf Anlagenebene 123
6.3 Umsetzung der Ergebnisse im Rahmendes Kohleeinkaufs 123
6.3.1 Entscheidungsrelevante Kohleeigenschaften für den Kohleeinkauf 124
6.3.2 Ermittlung des funktionalen Zusammenhangs zwischen Kohleeigen¬
schaften und betriebskostenrelevanten Größen 126
6.3.3 Klassifizierung der Kohlen zur Entscheidungsunterstützung im Brenn¬
stoffeinkauf 129
7 Zusammenfassung 133
7.1 Ausgangslage und Zielsetzung 133
7.2 Zur Abbildung der Produktionsstruktur von Kohlekraftwerken 134
7.3 Zur Abbildung der Schwermetallströme in Kohenstaubfeuerungen 136
7.4 Zur Anwendung des Schwermetall-Stoffstrommodells 138
Literaturverzeichnis 1*1
Anhang 155
Anhang 1: Immissionschutzrechtliche Vorgaben für Staub- und Spurenelemente in
Feuerungsanlagen 157
Anhang 2: Theoretische und empirische Ansätze zur Beschreibung der Schwermetall¬
ströme 161
Anhang 3: Mittlere Schwermetallkonzentrationen in Steinkohle 165
Anhang 4: Mittlere Anreicherung der Schwermetalle in der Flugasche (Auswertung von
Meßergebnissen aus der Literatur) 167
Anhang 5: Fraktionsabscheidegrade der Rauchgasreinigungsanlagen (Elektroabscheider
und Kalksteinwäsche) 171
Anhang 6: Ermittlung der Faktoren Z^ und VFtj mh* zur Bestimmung der Schwermetall¬
verteilung nach REA 173
Anhang 7: Ermittlung der charakteristischen Anreicherungsprofile der Schwermetalle
in der Flugasche (Auswertung der am GKM durchgeführten Schwermetall¬
bilanzierungen) 179
Anhang 8: Korngrößenverteilung der Flugasche (Abbildungsvorschrift der mittleren
Korngrößenverteilung) 185
Anhang 9: Anwendung der Hauptkomponentenanalyse zur Klassifizierung von
Kohlesorten l87
XII
Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Kapitel 1
Abbildung 1-1: Aufbau der Arbeit 7
Kapitel 2
Abbildung 2-1: Verteilung der Schwermetallströme auf die Stoffströme in einem typischen
Kohlekraftwerk und umweltrechtliche Vorgaben 12
Kapitel 3
Abbildung 3-1: Bindungsformen der Spurenelemente in der Kohle 23
Abbildung 3-2: Dampfdruckkurven einiger Spurenelemente und Spurenelementverbin¬
dungen 26
Abbildung 3-3: Konzentrationen verschiedener Elemente in der Flugasche in Abhängig¬
keit vom mittleren Komdurchmesser 29
Abbildung 3-4: Klassifizierung der Elemente bezüglich ihres Anreicherungsverhaltens
bei der Verbrennung 31
Abbildung 3-5: Charakteristische Abscheidekennlinien von elektrischen und filternden
Abscheidern 32
Abbildung 3-6: Schwermetallabscheidegrad des Kalkwaschverfahrens in den Kraftwerken
Scholven, Gelderland und AvedOTe 33
Abbildung 3-7: Elementspezifische Abscheidegrade des Kalkwasch-, Sprühabsorptions¬
und SNOX-Verfahrens 34
Abbildung 3-8: Elementspezifische Abscheidegrade des Sprühabsorptionsverfahrens 35
XIII
Abbildungsverzeichnis Kapitel 4
Abbildung 4-1: Mehrproduktfertigung und Kuppelproduktion 38
Abbildung 4-2: Einteilung der Kuppelproduktion 39
Abbildung 4-3: Typologie der Kuppelproduktion nach ausbringungsbezogenen Merk¬
malen 39
Abbildung 4-4: Abbildung der Produktionsstruktur mit Hilfe eines bewerteten Digraphen... 42
Abbildung 4-5: Abbildung des starren Kuppelproduktionsprozesses i im Input-Output-
Modell 45
Abbildung 4-6: Struktur der erweiterten Direktbedarfsmatrix bei starrer Kuppelproduktion
der Stelle/ 46
Abbildung 4-7: Überblick über wichtige Klassen von Transformationsfunktionen 47
Abbildung 4-8: Darstellung der Kuppelproduktionsstruktur eines Kohlekraftwerkes mit
Rauchgasreinigung (vereinfacht) 52
Abbildung 4-9: Zerlegung des Kuppelproduktes Rauchgas in seine Komponenten 53
Abbildung 4-10: Zerlegung der Kuppelprodukte Kesselasche, abgeschiedene Flugasche
und Gips 54
Abbildung 4-11: Zerlegung der Kuppelprodukte RAA-Schlamm und gereinigtes Abwasser.. 55
Abbildung 4-12: Qualitative Darstellung der abschnittsweise starren Kuppelproduktion für
die Kuppelprodukte Kesselasche und SC 2-Emissionen bei gleichbleibenden
Gebrauchs-und Verbrauchsfaktoren 62
Abbildung 4-13: Verknüpfung des aktivitätsanalytischen Stoffflußmodells und des Schwer¬
metall-Stoffstrommodells zur Stoffstromanalyse im Kohlekraftwerk 71
Kapitel S
Abbildung 5-1: Aufteilung der partikelgebundenen Schwermetallströme in einer
Kohlenstaubfeuerung mit Rauchgasreinigung 76
Abbildung 5-2: Meßwerte zur V- und Zn-Anreicherung 83
Abbildung 5-3: Charakteristisches Anreicherungsprofil der Schwermetalle in der Flug¬
asche von Kohlenstaubfeuerungen 84
Abbildung 5-4: Anreicherungsprofil von Vanadium in Schmelzfeuerungen mit vollstän¬
diger Ascherückführung und von Zink in Trockenfeuerungen 85
Abbildung 5-5: Bandbreite der Korngrößenverteilung der Flugasche nach einer steinkohle¬
befeuerten Schmelzfeuerung mit Ascherückführung 87
Abbildung 5-6: Ermittelte mittlere Korngrößenverteilungen 87
Abbildung 5-7: Bandbreite der Abscheidekennlinien (Elektroabscheider und Kalkstein¬
wäsche) 88
Abbildung 5-8: Ein- und Austragsströme der Schwermetalle in die REA-Kalksteinwäsche
(inkl. REA-Abwasseraufbereitung) 89
Abbildung 5-9: Verteilung der partikelgebundenen Schwermetallströme in einer Kohlen¬
staub-Trockenfeuerung einschließlich Rauchgasreinigung 92
XIV
A bbildungsverzeichnis
Abbildung 5-10: Verteilung der partikelgebundenen Schwermetallströme in einer Kohlen¬
staub-Schmelzfeuerung ohne Flugascherückfuhrung einschließlich Rauch¬
gasreinigung 93
Abbildung 5-11: Verteilung der partikelgebundenen Schwermetallströme in einer Kohlen¬
staub-Schmelzfeuerung mit vollständiger Flugascherückfuhrung ein¬
schließlich Rauchgasreinigung 94
Abbildung 5-12: Probenahmestellen und Bilanzierungsgrenzen am Kessel 19, GKM 96
Abbildung 5-13: Anreicherungsverhalten von Nickel 98
Abbildung 5-14: Charakteristische Anreicherungsprofile der Schwermetalle in der Flug¬
asche von Kohlenstaubfeuerungen dargestellt am Beispiel von Nickel 99
Abbildung 5-15: Vergleich zwischen experimentellen und modelltheoretischen Ergebnissen
für den Schwermetallaustrag über die Flugasche 101
Abbildung 5-16: Vergleich des Anreicherungsverhaltens bei Voll- und Teillast für As und
Cd (Kohlezeche: Douglas, Südafrika) 103
Abbildung 5-17: Vergleich des Anreicherungsverhaltens bei Voll- und Teillast für Ni und
Pb (Kohlezeche: Douglas, Südafrika) 103
Abbildung 5-18: Berechneter Konzentrationsverlauf der Cadmium-Verbindungen im
Rauchgas (Deutsche Kohle (Göttelborn), Vollast)) 108
Abbildung 5-19: Berechneter Konzentrationsverlauf der Nickel-Verbindungen im Rauchgas
(Deutsche Kohle (Göttelborn), Vollast)) 109
Kapitel 6
Abbildung 6-1: Partikelgebundene Schwermetallströme aus den Kohlenstaubfeuerungen
Baden-Württembergs im Jahr 1992 nach Austragspfad 115
Abbildung 6-2: Prozentualer Austrag partikelgebundener Schwermetalle aus den Kohlen¬
staubfeuerungen Baden-Württembergs im Jahr 1992 nach Austragspfad.... 117
Abbildung 6-3: Austrag partikelgebundener Schwermetalle aus den Kohlenstaubfeue¬
rungen Baden-Württembergs im Jahr 1992 über Kesselasche nach
Feuerungstechnik 118
Abbildung 6-4: Austrag partikelgebundener Schwermetalle aus den Kohlenstaubfeue¬
rungen Baden-Württembergs im Jahr 1992 über Flugasche nach
Feuerungstechnik 118
Abbildung 6-5: Austrag partikelgebundener Schwermetalle aus den Kohlenstaubfeue¬
rungen Baden-Württembergs im Jahr 1992 über Rauchgase nach
Feuerungstechnik 119
Abbildung 6-6: Austrag partikelgebundener Schwermetalle aus den Kohlenstaubfeue¬
rungen Baden-Württembergs im Jahr 1992 über REA-Reststoffe nach
Feuerungstechnik 119
Abbildung 6-7: Schwermetallaustrag über die einzelnen REA-Reststoffe aus den Kohlen¬
staubfeuerungen Baden-Württembergs nach Feuerungstechnik 121
Abbildung 6-8: Prozentualer Schwermetallaustrag über die einzelnen REA-Reststoffe
aus den Kohlenstaubfeuerungen Baden-Württembergs im Jahr 1992 121
XV
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 6-9: Entscheidungsrelevante Kohleeigenschaften für den Kohleeinkauf und ihre
Beziehungen zu den betriebs- bzw. funktionsrelevanten Größen sowie
zu den betriebskosten- bzw. umweltschutzrelevanten Größen 127
Abbildung 6-10: Einfluß des Schwefelgehaltes der Kohle auf den Kalksteinbedarf in der
REA und den erforderlichen Kohlemassenstrom 128
Abbildung 6-11: Einfluß des Wassergehaltes der Kohle auf die Mühlenantriebsleistung
und den Leistungsbedarf des Saugzuges 128
Abbildung 6-12:Ergebnisse der Hauptkomponentenanalyse zur Klassifizierung von Kohle¬
sorten 132
XVI
Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Kapitel 2
Tabelle 2-1: In der Praxis festgelegte Spurenelementgrenzwerte und Reingasstaubgehalt
für eine Neuanlage mit Steinkohle-Trockenfeuerung (1150 MW«,) 13
Tabelle 2-2: Anforderungen an das Einleiten von Abwasser aus der Rauchgaswäsche von
Steinkohlekraftwerken in Gewässer nach der Abfallwasserverordnung 15
Tabelle 2-3: Schwellenwerte für die Genehmigungspflicht nach der Indirekteinleiter-
verordnung (Anhang 2 IndVO) in Baden-Württemberg 16
Tabelle 2-4: Einzuhaltende Zuordnungswerte bei der Zuordnung von Abfällen zur
Ablagerungen nach TA Abfall und TA Siedlungsabfall 18
Kapitel 3
Tabelle 3-1: Mittlere Spurenelementkonzentrationen in europäischen Steinkohlen 24
Kapitel 4
Tabelle 4-1: Hauptverbindungen und chemische Zusammensetzung des REA-Gipses
eines Kohlekraftwerkes 70
Kapitel 5
Tabelle 5-1: Variablen des technischen Produktionsmodells für Schwermetallströme
in Kohlenstaubfeuerungen 77
Tabelle 5-2: Schwankungsbreite des Parameters EFFA/KA in Abhängigkeit vom Feue¬
rungstyp 82
Tabelle 5-3: Vergleich zwischen experimentellen Ergebnissen bei Teillast und modell¬
theoretischen Ergebnissen für den Schwermetallaustrag über die Flugasche
(VFij,) (Kohlezeche: Douglas, Südafrika) 105
XVII
Tabellenverzeichnis Tabelle 5-4: Massenanteile xf,j der Cadmium-Verbindungen im Rohgas bei einer
Rauchgastemperatur von 700°C 111
Kapitel 6
Tabelle 6-1: Steinkohleverbrauch in Kohlefeuerungsanlagen mit einer Anlagenleistung
über 1 MWü, in Baden-Württemberg im Jahr 1992 114
Tabelle 6-2: Partikelgebundene Schwermetallströme aus den Kohlenstaubfeuerungen
Baden-Württembergs im Jahr 1992 nach Austragspfad 116
Tabelle 6-3: Ergebnisse der Kohleklassifizierung (Gruppenbildung) 131
XVIII
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