Quecksilberabscheidung: Der Sly Impinjet Scrubber ist ein integraler Bestandteil des Systems zur Quecksilberreduzierung in Zementofenstaub.
Da Zementwerke mit der Notwendigkeit konfrontiert sind, ihre Quecksilberemissionen drastisch zu reduzieren, ermöglichen technologische Fortschritte die Senkung solcher Emissionen aus den Abgasen von Zementöfen und anderen Quellen.
Während Zementwerke gängige Methoden zur Einhaltung der Vorschriften anwenden, wie z. B. die Reduzierung des Quecksilbereintrags, Staubtransport und die Injektion von Sorptionsmitteln, um die Quecksilberemissionen zu verringern, unterscheidet sich die direkte Abscheidung von Quecksilber aus einem Gasstrom grundlegend von allen heute verfügbaren Kontrollmethoden.
Mercury Capture Systems (MCS) wurde in den letzten fünf Jahren von einem Team aus Zementfachleuten entwickelt und eliminiert über 99 Prozent des Quecksilbers im Zementofenstaub (CKD), sodass der CKD im Ofensystem verbleiben kann und kein Staubtransport mit potenziellen langfristigen Risiken erforderlich ist. Das System hilft nicht nur den US-Zementwerken, die NESHAP-Vorschriften von 2015 einzuhalten, sondern eröffnet auch zukunftsorientierten Zementherstellern neue Möglichkeiten bei der Verwendung von Rohstoffen. Darüber hinaus kann das Verfahren auf Flugasche, Aktivkohle, Ton und andere Industrieabfälle angewendet werden, die aufgrund ihres hohen Quecksilbergehalts derzeit von Zementwerken nicht verwendet werden können.
Die Verwendung von MCS führt zu einem nahezu quecksilberfreien Rohstoff und einer unlöslichen konzentrierten Form von Quecksilber, die sicher in Beton eingegossen, entsorgt oder zur Verwertung weitergeleitet werden kann.
Der Thermal Desorption Gas Reactor (TDGR) der ersten Generation wurde in den letzten 18 Monaten gebaut und ist so konzipiert, dass er unabhängig von seinem zugehörigen Zementofen funktioniert. Er kann je nach Eingangstemperatur und Feuchtigkeitsgehalt des Materials zwischen 5 und 20 Tonnen Material pro Stunde verarbeiten.
Die für die Demonstration erforderlichen Zusatzgeräte umfassten ein Staubspeichersilo, Fördergeräte, einen Staubabscheider, eine Entladungskühlung und einen Bypass-Quecksilberkondensator. Für Anlagen, die in einen Zementofen oder ein Kraftwerk integriert sind, sind nur der thermische Desorber, der Gasreaktor und ein kleiner Staubabscheider erforderlich. Das durchschnittliche Ergebnis der ersten Inbetriebnahme bestätigte, dass über 99 Prozent des Quecksilbers aus dem CKD entfernt wurden.
Die Anwendung dieses präzisen Verfahrens auf jeden industriellen Staub führt zu sehr ähnlichen Reduktionen. Das Quecksilber wird aus dem Material entfernt. Das Material kann dann im Brennofen verwendet werden, ohne zu Quecksilberemissionen aus dem Schornstein beizutragen.
Das Quecksilber, das desorbiert und in einem konzentrierten Gasstrom enthalten ist, wird zum MCS-Gasreaktor geleitet. Der Gasreaktor ist im Wesentlichen ein modifizierter Partikelwäscher mit einem ständig umlaufenden Strom von Reagenzkatalysatoren. In der normalen Konfiguration wird verdampftes Quecksilber in den Wäscher geleitet und dann durch Kontakt mit einer wässrigen Reagenzkatalysatorlösung aus dem Gasstrom entfernt. Im Rahmen des MCS-Verfahrens entstehen Quecksilberpartikel, wenn der Reagenzkatalysator mit dem Quecksilber im Gasstrom in Kontakt kommt. Die entstehenden Quecksilberpartikel werden dann im Vorratsbehälter gesammelt. Die nicht verbrauchte Reagenzkatalysatorlösung wird gefiltert und wieder in den Wäscher zurückgeführt. Die chemische Reaktion erfolgt auf molarer Basis, wodurch die Reagenzlösung kontinuierlich durch den Gasreaktor zurückgeführt werden kann, bis sie vollständig reagiert hat.
Der Gasstrom wurde vor und nach dem Gasreaktor gemessen. Alle Tests wurden von einem unabhängigen Labor unter Verwendung einer Kombination aus tragbaren Jerome-Quecksilberanalysatoren, Sorbensfallen für Gesamtquecksilber und Sorbensfallen für spezifisches Quecksilber durchgeführt. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Da die tragbaren Geräte nur bis zu 0,999 ppm im Gasstrom messen können, war der obere Wert nicht messbar, nachdem die Geräte ihre maximale Sättigung überschritten hatten. Die Handgeräte zeigten eine Quecksilberreduktion von 88 Prozent. Die Sorptionsfallen messen nur den Gasstrom und sind wesentlich genauer. Die Ergebnisse sind mit einer Quecksilberreduktion von über 99 Prozent noch beeindruckender.
Laut den in den letzten fünf Jahren gesammelten MCS-Daten entstehen bei der thermischen Desorption sowohl ionisches als auch elementares Quecksilber. Die Reagenzienkatalysatoren haben sich als sehr wirksam bei der Abscheidung beider Quecksilberformen direkt aus einem Gasstrom erwiesen.
Was bedeutet das für einen Zementofen? Durch die Entfernung von 1 ppm Quecksilber aus 18.000 t Rohmaterial oder CKD wird der Quecksilbereintrag in einen Ofen um 32 lb/Jahr gesenkt. Dies entspricht der Verarbeitung des CKD, das von einer Anlage während ihrer Rohmühlenphase erzeugt wird. Dies zeigt, dass der MCS-Prozess auf jede Anlage zugeschnitten werden kann und kontinuierlich oder nach Bedarf betrieben werden kann, um den Quecksilbereintrag in einen Ofen zu senken.
MCS vs. Staubtransport
Das Staubtransportverfahren wurde ursprünglich von der US-Umweltschutzbehörde (EPA) als kostengünstige Option für Zementöfen vorgeschlagen. Es handelt sich dabei um eine einfache Methode, um den Quecksilbereintrag in einen Ofen zu reduzieren, indem das CKD direkt zur Fertigmühle transportiert wird, um dort mit Klinker gemahlen zu werden, und das Quecksilber direkt in den resultierenden Beton eingebracht wird. Alle Studien haben bestätigt, dass das Quecksilber, sobald es sich im Beton befindet, eingekapselt ist. Die Frage war immer, wie viel Quecksilber tatsächlich in den Beton gelangt. Eine aktuelle Studie der University of Florida mit dem Titel „Characterization of Vapor Phase-
-Mercury Released from Concrete Processing with Baghouse Filter Dust Added Cement” (Charakterisierung von Quecksilber in der Dampfphase, das bei der Betonverarbeitung mit Baghouse-Filterstaub-Zusatzzement freigesetzt wird), die von der American Chemical Society veröffentlicht wurde, zeigt, dass bis zu 70 Prozent des von CKD absorbierten Quecksilbers nie in den eigentlichen Beton gelangt. Die Studie wies außerdem darauf hin, dass für Zementmühlen, die quecksilberhaltiges CKD verwenden, letztendlich Quecksilbermonitore erforderlich sein werden.
Neben den potenziellen Kosten für die Überwachung, der potenziellen Haftung und dem implizierten neu regulierten Quecksilberemissionspunkt gibt es auch das Thema Kosten und Qualität. Durch den Staubtransport wird dem Ofen ein Rohstoff entzogen, der durch andere Rohstoffe ersetzt werden muss. Der CKD wurde bereits verarbeitet, kalziniert und chemisch neu kombiniert. Die Kosten für CKD entsprechen im Wesentlichen denen für Klinker und haben auch denselben CO2-Fußabdruck. Zementöfen sind bestrebt, das Klinker-Zement-Verhältnis durch den Einsatz verschiedener zementärer Prozesszusätze und das Mahlverfahren mit Kalkstein zu reduzieren. Das Staubtransportverfahren trägt nicht zur Verringerung des CO2-Fußabdrucks bei und ist ein relativ kostspieliger Prozesszusatz. MCS kann das Staubtransportverfahren überflüssig machen, indem es regelmäßig kostengünstige, praktisch quecksilberfreie Rohstoffe in den Zementofen zurückführt.
MCS vs. Sorbent-Injektion
Sorbentien werden zunehmend durch direkte Einspritzung in den Schlackofen-Filter eingesetzt, um die Menge an Quecksilber zu erhöhen, die vom CKD absorbiert wird. Viele der derzeitigen Sorbentien sind Berichten zufolge betonfreundlich, und in den meisten Fällen ist die Gesamtmenge des verwendeten Sorbentiums relativ gering, was Qualitätsbedenken verringert.
Im Rahmen des MCS-Entwicklungsprozesses ist es SCB International Materials gelungen, den Quecksilbergehalt in einem Gasstrom vor einem Zementofen-Schlauchfilter mithilfe seiner Reagenzkatalysatoren in Verbindung mit einem bestehenden Fallrohr-Wassereinspritzsystem um 55 Prozent zu reduzieren. Es waren keine zusätzlichen Sorptionsmittel erforderlich, und weitere Tests bestätigten einen Anstieg der Quecksilberkonzentration im CKD um 25 Prozent. Dieser Prozess wird weiter untersucht werden. Für Anlagen, die die Verwendung von Sorptionsmittelinjektion planen, eignet sich der MCS-Prozess weiterhin zur Reinigung des kombinierten CKD-/Sorptionsmittelstroms. MCS Thermal Desorption hat sich bei Konzentrationen von bis zu 61 ppm Hg als wirksam erwiesen.
Kombinierte MCS-Verarbeitung
Der kombinierte MCS-Prozess würde es jedem Zementofen ermöglichen, das Quecksilber aus seinem CKD zu entfernen und so die Konsistenz des Klinkers, die Zementqualität und die Kundenbeziehungen zu schützen. Wenn das System nicht zur Verarbeitung von CKD verwendet wird, könnte es zum Entfernen von Quecksilber aus alternativen Rohstoffen eingesetzt werden. Dadurch kann das Zementwerk quecksilberreiche Flugasche verwenden oder verbrauchte Sorptionsmittel kostengünstig zu Rohstoffen verarbeiten. Dies würde die Kosten des Werks pro Tonne senken und gleichzeitig die Palette der verfügbaren Rohstoffe erweitern, die es in seinem Produktionsprozess verwenden kann.
Schlussfolgerung
Mercury Capture Systems ist eine innovative Methode, die entwickelt wurde, um Quecksilberemissionen aus Abgasen von Zementöfen und anderen Emissionsquellen zu reduzieren. Die Technologie kann angepasst werden, um Quecksilber aus Kohleverbrennungsprodukten, verbrauchtem pulverförmigem Aktivkohle und anderen Rohstoffen ohne den Einsatz zusätzlicher Sorptionsmittel zu entfernen. Testergebnisse bestätigen die Fähigkeit, sowohl elementares als auch ionisches Quecksilber abzuscheiden. Mercury Capture Systems verwendet einen chemischen Reagenzkatalysator, der nicht nur auf Quecksilber, sondern auch auf alle Schwermetalle wirkt.
Der Prozess nutzt thermische Desorption, um Quecksilber aus CKD abzutrennen, und bildet in einem separaten Gasreaktor ein nicht auslaugbares Sulfid. Dadurch kann das CKD, das im Wesentlichen quecksilberfrei ist, recycelt und überall innerhalb des Prozesses verwendet werden. Die Ergebnisse der TDGR bestätigen eine 99-prozentige Entfernung des Quecksilbers aus dem Flugasche und eine entsprechende 99-prozentige Reduzierung des Quecksilbers im Gasdampf. Dadurch wird der Quecksilberkreislauf innerhalb einer Zementfabrik unterbrochen und Zementöfen können die kommenden NESHAP-Vorschriften erfüllen, die im September 2015 in Kraft treten werden.