Ein Vergleich der ELG-Konformitätsoptionen für Rauchgaswäscher-Abwasser

Jun 01, 2023

Um die Anforderungen der Abwasserbegrenzungsrichtlinie (ELG) zu erfüllen, ist eine sorgfältige Abwägung der verschiedenen Optionen erforderlich. Sowohl die biologische Behandlung als auch der Zero-Liquid-Discharge-Ansatz (ZLD) haben ihre Berechtigung, aber ZLD könnte für die Zukunft mehr Flexibilität bieten.

Am 30. September 2015 veröffentlichte die Environmental Protection Agency (EPA) die endgültigen Richtlinien zur Abwasserbegrenzung (ELGs) für Punktquellen zur Dampfstromerzeugung. Diese Vorschriften haben erhebliche Auswirkungen auf Stromerzeugungsanlagen in den gesamten Vereinigten Staaten. Bei den ELGs handelt es sich um technologiebasierte Vorschriften, was bedeutet, dass die von der EPA im Rahmen dieser Regel festgelegten Beschränkungen auf der Grundlage der besten verfügbaren, wirtschaftlich erreichbaren Technologie (BVT) festgelegt werden.

Aufgrund dieser Regelung besteht eine der größten Herausforderungen für Kohlekraftwerke darin, die neuen Einleitungsanforderungen für die Spülströme der Rauchgasentschwefelung (REA) zu erfüllen. Daher gab es auf dem Markt umfangreiche Diskussionen, Studien und Planungen zur Umsetzung der ELGs. Die Auswirkungen der ELGs und des Compliance-Plans sind für jeden Standort spezifisch. Es gibt keine „Einheitslösung“, die für alle passt.

Die BVT für bestehende Kohlekraftwerke mit mehr als 50 MW, die mit nassen Rauchgasentschwefelungswäschern ausgestattet sind, ist die physikalische/chemische Behandlung gefolgt von einer biologischen Behandlung. Die für neue Kohlekraftwerke festgelegte BVT ist die Verdampfungsbehandlung. Die Abwasserbeschränkungen für jede Quellkategorie sind in Tabelle 1 aufgeführt. Kraftwerke müssen die Abwassergrenzwerte bis zu dem von der Genehmigungsbehörde der jeweiligen Anlage festgelegten Datum innerhalb eines Einhaltungszeitraums einhalten, der am 1. November 2018 beginnt und spätestens am 31. Dezember 2023 endet.

Für bestehende Anlagen stehen zahlreiche REA-Lösungen zur Abwasseraufbereitung zur Verfügung. Zusätzlich zur physikalischen/chemischen und biologischen Behandlung bieten die ELGs Anreize durch eine aufgeschobene Einhaltung (31. Dezember 2023) für die Implementierung der Zero Liquid Discharge (ZLD)-Technologie unter Verwendung thermischer Verdampfungssysteme. Kraftwerksspezifische Designfaktoren wie Kraftwerksleistung, Design des REA-Wäschers, Kohleart, Wasserqualität sowie andere Überlegungen wie das Alter der Anlage, Wirtschaftlichkeit und andere Faktoren müssen alle bewertet werden, um die beste Lösung zu ermitteln. Ein erfolgreiches ELG-Compliance-Projekt hängt von einer Bewertung der verfügbaren Technologielösungen und der Auswahl der Lösung ab, die den Zielen des Stakeholders (wie Kapitalkosten, Betriebskosten und Risiko) entspricht.

Die Grundlagen biologischer und Verdampfer-ELG-Compliance-Lösungen werden in Abbildung 1 beschrieben.

Die biologische Lösung ist ein Schema, mit dem sich die meisten Anlagenbetreiber offenbar wohlfühlen, da es aus mehreren konventionellen Wasseraufbereitungsvorgängen besteht, gefolgt von einem biologischen System, das auch Geräte umfasst, mit denen Anlageningenieure und -betreiber vertraut sind. Darüber hinaus sind einige in der Branche möglicherweise der Meinung, dass die ELG-Konformität durch biologische Behandlung einfacher zu betreiben, zuverlässiger und weniger Vorbehandlungsaufwand ist und die Installation und Wartung kostengünstiger ist. Diese Wahrnehmungen sind Gegenstand der nachstehenden Diskussion.

Der Betriebserfolg eines biologischen Systems hängt von der Fähigkeit des Betreibers ab, das physikalisch-chemische Vorbehandlungssystem zu betreiben, um die Gesamtschwebstoffe (TSS), Quecksilber und Arsen zu entfernen und das REA-Abwasser gemäß den Eingangsspezifikationen des biologischen Behandlungsschritts zu konditionieren zur Selen- und Nitratentfernung. Der Bediener muss sorgfältig darauf achten, dass die ELG-Grenzwerte erreicht werden.

Im Gegensatz dazu sind Verdampfersysteme vergleichsweise einfacher zu bedienen und verzeihen mehr Durchfluss- und Chemieschwankungen sowie eine größere Toleranz gegenüber zyklischem Betrieb. Es ist relativ einfach, die Zufuhrrate zu ändern und ein Verdampfersystem zu starten und zu stoppen, während biologische Systeme diese Änderungen weniger tolerieren und eine sorgfältige Bedienung erforderlich ist, um die Gesundheit der Biomasse sicherzustellen.

Eine Vorbehandlung durch physikalische/chemische Behandlung kann erforderlich sein oder auch nicht (siehe Diskussion zur Vorbehandlung unten). Bei Bedarf wird eine konventionelle Kalk-Soda-Enthärtung eingesetzt, um das REA-Abwasser teilweise zu enthärten. Für die Enthärtung wird ein Zielbereich angegeben, da der Prozess eine angemessene Abweichung toleriert. Die Verdampferausrüstung ist vollautomatisch und erfordert, abgesehen von der schichtweisen Probenahme und der chemischen Analyse mithilfe von Testkits, regelmäßig nur wenig Bedienereingriff.

Bediener, die mit dem Betrieb eines Verdampfersystems nicht vertraut sind, glauben möglicherweise, dass die Bedienung schwieriger ist. Allerdings haben Faktoren wie die richtige Schulung und die Nutzung der vom Lieferanten der Eindampfanlage angebotenen Betriebs- und Wartungsdienste die Wahrnehmung der Betreiber verändert.

Zu berücksichtigen sind auch die Verfügbarkeitsanforderungen des Systems. Die Biomasse in einem biologischen System kann aufgrund verschiedener Faktoren absterben. Diese Mikroorganismen benötigen viel Zeit, um zu wachsen und sich zu akklimatisieren, bevor sie in Betrieb genommen werden. Dieses Risiko erfordert die Bereitstellung von Redundanz im Aufbereitungsstrang, damit eine Offline-Biologieeinheit in Betrieb genommen werden kann, ohne die REA-Abwasserbehandlung zu unterbrechen. Eine redundante biologische Einheit bietet jedoch keine zusätzliche Verfügbarkeit, wenn die Ursache für die Biomassesterblichkeit bei den Online- und Offline-Einheiten gleich ist. Dies sollte bei der Gestaltung des Systems berücksichtigt werden.

Verdampfer-REA-Behandlungssysteme sind bei ordnungsgemäßer Auslegung und Betrieb äußerst tolerant gegenüber Änderungen in der REA-Abwasserzusammensetzung, die durch saisonale Schwankungen in der Qualität des Anlagenzusatzwassers, Änderungen in der Kohlezusammensetzung und Störungen im REA-Wäscher verursacht werden können. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Verfügbarkeit eines ordnungsgemäß konzipierten Systems 96 % übersteigt. Darüber hinaus ist das vom Verdampfersystem erzeugte Destillat von hoher Qualität und kann als Ergänzung zum Wäscher zurückgeführt werden, wodurch das Risiko einer ELG-Nichteinhaltung eliminiert wird.

Bestehende Anlagen verfügen möglicherweise bereits über ein physikalisches/chemisches Behandlungssystem, um die aktuellen Anforderungen an die Einleitungsgenehmigung für TSS und regulierte Schadstoffe zu erfüllen. Daher erfordert die Einhaltung der ELGs für viele Anlagen eine Änderung des bestehenden physikalischen/chemischen Behandlungssystems und die Integration entweder eines biologischen Behandlungssystems oder eines Verdampfersystems.

Die biologische Option erfordert eine physikalisch-chemische Vorbehandlung mit Kalk-, Sulfid- und Eisenbehandlung zur Entfernung von Quecksilber, Arsen und Metallen. Im Anschluss an die Vorbehandlung wird eine biologische Behandlung eingesetzt, um die Konzentration von Nitrat und Selen auf die ELG-Grenzwerte zu senken. Für die Behandlung durch Verdampfung müssen mehrere Schemata in Betracht gezogen werden, von denen nicht alle eine physikalische/chemische Behandlung erfordern, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Verdunstungsansätze zur ELG-Konformität bestehen typischerweise aus einer teilweisen Kaltkalk-Soda-Enthärtung von REA-Abwasser, gefolgt von einer Konzentration und/oder Kristallisation. Alternativ kann REA-Abwasser ohne Enthärtung direkt konzentriert und anschließend in einer Pug-Mühle mit Flugasche (und Kalk) vermischt werden, um eine feste Mischung zu erzeugen, die Metalle fixiert und auf einer Mülldeponie entsorgt werden kann.

Es ist sehr schwierig, absolute Aussagen zu den Gesamtinstallationskosten oder Lebenszykluskosten von biologischen oder verdampferbasierten REA-Abwasserbehandlungssystemen zu machen, da diese standortspezifisch sind. Beim Vergleich der Kosten ist es wichtig, die oben erläuterten verschiedenen Verdampferkonfigurationen sowie die Redundanzanforderungen zu berücksichtigen.

Um einer Verfügbarkeit von weniger als 100 % Rechnung zu tragen, sollten die Systeme entweder mit 100 % redundanten Zügen (sehr kostspielig und unnötig) oder mit einer gewissen Menge an Speicherung des REA-Abwassers ausgestattet sein, um einen Puffer zwischen dem REA-Wäscher und dem REA-Abwasseraufbereitungssystem bereitzustellen. Die zur Erreichung der gewünschten Verfügbarkeit erforderliche Speichermenge hängt von einer Reihe von Faktoren ab. Erwartete Ausfallzeiten aufgrund von Einzelpunktausfällen von Geräten und Systemdesignmargen sind vorrangige Überlegungen. Es müssen Entscheidungen über die optimale Konfiguration getroffen werden, und diese Entscheidungen sind wiederum standortspezifisch.

Betrachten Sie als Beispiel ein REA-Abwasseraufbereitungssystem mit einer Nennleistung von 100 Gallonen pro Minute. Basierend auf dem Betrieb anderer REA-Verdampferanlagen beträgt die Reinigungsfrequenz für den Verdampfer einmal pro Betriebsjahr und die Ausfallzeit beträgt 10 Tage. Wenn der Wartungsplan der Anlage jedes Jahr für den gleichen Zeitraum außer Betrieb sein soll, kann der REA-Abwassertank für einen einzelnen Ausfall ausgelegt werden, typischerweise für die maximale Dauer von einem Tag (144.000 Gallonen). Die Bereitstellung eines solchen Tanks wird immer wesentlich kostengünstiger sein als die Bereitstellung eines redundanten Zuges. Dennoch sollten bei der Bestimmung des Speichertankvolumens die Mehrkosten für die Bereitstellung zusätzlicher Speicher berücksichtigt werden.

Es ist auch wichtig, die Nennkapazität des REA-Behandlungssystems im Vergleich zur erwarteten normalen Kapazität zu berücksichtigen, da zwischen beiden ein großer Unterschied bestehen kann. Solche Unterschiede können aus nicht standardmäßigen Betriebsszenarien resultieren. Wenn diese Szenarien von kurzer Dauer sind, kann es sinnvoll sein, die Speicherung auf Basis der normalen Kapazität zu berücksichtigen. Der Grund hierfür liegt darin, dass Abschaltungen in der Regel vorhergesehen und geplant werden können, wenn das REA-Abwasser mit normaler Geschwindigkeit erzeugt wird (im Gegensatz zur Nennkapazität). In manchen Situationen können solche Überlegungen den Unterschied zwischen der Wahl einer redundanten Anlage oder einem größeren REA-Abwasserspeicher ausmachen.

Es ist auch wichtig zu beachten, dass die ELG-Vorschrift die Einhaltung der Vorschriften für die Installation von Systemen auf Verdampferbasis bis November 2023 verschiebt, wohingegen Anlagen, die sich für die Einhaltung der Vorschriften mit biologischen Behandlungssystemen entscheiden, bereits im November 2018 in Betrieb sein müssen oder wie von ihrer Genehmigungsbehörde festgelegt. Die wirtschaftlichen Auswirkungen der aufgeschobenen Investition müssen beim Vergleich biologischer und verdampferbasierter ELG-Compliance-Lösungen bewertet werden.

Biologische Behandlungs- und Verdampferbehandlungssysteme werden beide eine Rolle bei der ELG-Konformität von REA-Abwasser spielen. Es gibt keine „Einheitslösungen“, die für alle passen, da die Kapital-, Installations- und Betriebskosten standortspezifisch sind. Beide Behandlungsschemata haben Vor- und Nachteile, die bewertet werden sollten, einschließlich alternativer Verdampferoptionen, die möglicherweise den Bedarf an Vorbehandlung, Kristallisatoren und Salzkuchen-Entwässerungsgeräten überflüssig machen. Darüber hinaus sollten die Redundanzanforderungen für beide Systeme sorgfältig geprüft werden. Anstelle redundanter Ausrüstung sollte die Bereitstellung eines Puffervolumens zwischen dem REA-Wäscher und dem Abwasserbehandlungssystem in Betracht gezogen werden.

Schließlich sollte das Risiko einer künftigen Verschärfung der Abwassergrenzwerte im Verhältnis zur voraussichtlichen Lebensdauer der Anlage bewertet werden. Das Verdampferaufbereitungssystem eliminiert REA-Abwasser aus der Abwasserentsorgung der Anlage, während das biologische System möglicherweise nicht in der Lage ist, sich anzupassen. ■

—Dan Bjorklund ([email protected]) ist Vizepräsident ICD bei Aquatech International.

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