Die angelieferte Kohle gelangt über Fördereinrichtungen zur Kohlemühle. Hier wird die Kohle staubfein zermahlen und mit vorgewärmter Luft getrocknet. Zusammen mit der Verbrennungsluft wird die Kohle in die Brennkammer eingeblasen und verbrannt. Bei der Oxidation der Kohle wird durch die exotherme Reaktion Wärme frei und es entstehen heiße Verbrennungsgase. Diese durchströmen den Dampferzeuger des Hauptkessels. Hierbei handelt es sich um ein von Wasser durchflossenes Wärmetauschersystem. Das Wasser nimmt die Wärme der Verbrennungsgase auf und verdampft dadurch bei hohen Temperaturen (über 500 °C) und Drücken (200 bar). In der Dampfturbine gibt der Dampf die in ihm gespeicherte Wärmeenergie als mechanische Energie an die Turbine ab. Die sich dadurch mit etwa 3000 Umdrehungen pro Minute drehende Welle der Turbine überträgt ihre Bewegungsenergie auf den Generator. Der Generatorläufer dreht sich in einem Magnetfeld und wandelt dadurch seine Bewegungsenergie in elektrische Energie um. Über den Transformator wird der Strom als Produkt an die Kunden verkauft. Die nicht nutzbare Wärme wird im Kondensator über das Kühlwasser als Abwärme abgegeben, der Dampf kondensiert, das Kühlwasser erwärmt sich.
Die im Dampferzeuger abgekühlten Verbrennungsgase (Rauchgase) können nicht direkt an die Umwelt abgegeben werden, da bei der Verbrennung von Kohle als umweltbelastende Emissionen Stickoxide, Staub und Schwefeldioxid anfallen, die aus dem Abgasstrom entfernt werden müssen. Hier wird ein weiteres Aufgabengebiet der Verfahrenstechnik deutlich, der Umweltschutz. Mittels eines chemisch-katalytischen Verfahrens (DENOX) werden in der Entstickungsanlage durch Eindüsung von Ammoniak die Stickoxide zu elementarem Stickstoff reduziert. Die Entfernung der im Rauchgas mitgeführten Flugasche erfolgt mittels elektrischer Abscheider (Elektrofilter). Die Rauchgasentschwefelungsanlage (REA) bildet den Abschluss der Rauchgasreinigung. In Waschtürmen (Absorption, die Erklärung liefert Ihnen Teil III) wird das Rauchgas mit einer Waschflüssigkeit (Kalksuspension) besprüht. Das Schwefeldioxid wird von der Waschflüssigkeit aufgenommen und reagiert hier mit dem Kalkstein zu Gips, der an die Baustoffindustrie verkauft wird. Ein Saugzug saugt das Rauchgas durch die Anlage. Das Rauchgas verlässt das Kraftwerk gereinigt über den Kamin.
Für das Beispiel Kraftwerk gemäß Abbildung 1.4 können unter anderem folgende Unit Operations identifiziert werden:
Lagerung (Kohlehalde),
Förderung (Kohleförderung über Gurtförderer),
Zerteilen (mechanische Zerkleinerung in der Kohlemühle),
Reagieren (Verbrennung als chemische Reaktion),
Wärmeübertragen (Dampferzeuger),
Reagieren (Entfernung von Stickstoffoxiden durch katalytische chemische Reaktion),
Trennen (mechanische Trennung von Gas und Feststoff in der Entstaubung),
Trennen (thermische Trennung von SO2 und Gas durch Absorption),
Wärmeübertragen (Kondensator).
Abbildung 1.4 Unit Operations am Beispiel eines Kohlekraftwerks (EnBW)
Thermische und mechanische Verfahren
In Abbildung 1.2 haben Sie gesehen, dass die physikalische Stoffumwandlung durch thermische oder mechanische Prozesse erfolgen kann. Was unterscheidet diese beiden Prozessarten aber voneinander? Thermische und mechanische Verfahren weisen folgende charakteristische Unterschiede auf:
Mechanische Verfahren:Sie haben es mit makroskopisch großen Teilen zu tun (Feststoffe, Flüssigkeitstropfen, Gasblasen), die Teil eines mehrphasigen Stoffsystems sind.Die Bewegung makroskopisch großer Einzelteile wird durch die Gesetze der Mechanik beschrieben, nämlich durch das Einwirken äußerer Kräfte (zum Beispiel Schwerkraft, Fliehkraft, Trägheitskraft), thermische Molekularbewegungen können vernachlässigt werden.Die Zerlegung mehrphasiger Systeme in die einzelnen Komponenten (Phasen) erfolgt durch mechanische Verfahren. Wird ein Gasstrom entstaubt, so ist dies ein typisches mechanisches Verfahren. Das mehrphasige System, bestehend aus Gas und Feststoff, wird in die einzelnen Komponenten, das heißt in die Phasen Gas und Feststoff zerlegt.
Thermische Verfahren:Die Komponenten eines Stoffgemischs liegen als molekulare Einzelteilchen vor und bilden eine homogene Phase.Die Bewegung der Einzelteilchen (Moleküle) innerhalb der Phase ist ungeordnet und chaotisch (Brownsche Molekülbewegung).Die Zerlegung homogener Gemische in Teilströme erfolgt durch thermische Verfahren. Ein homogenes Gemisch besteht aus einer Phase, in der sich mehrere Komponenten befinden. Ein homogenes Gemisch ist beispielsweise eine Flüssigkeit, die aus Wasser und Alkohol besteht. Dieses homogene Gemisch können Sie durch thermische Trennverfahren in die Komponenten Wasser und Alkohol zerlegen.Dominiert die ungeordnete, chaotische Bewegung von Molekülen (Brownsche Molekularbewegung), ist eine Trennung nur durch thermische Verfahren möglich.
Die Masse der Teilchen entscheidet somit, ob die Stoffumwandlung mit den Gesetzen der Mechanik oder den Gesetzen der Thermodynamik zu berechnen ist.
Nach dem Dampferzeuger strömt das Rauchgas der Rauchgasreinigung zu. Hier werden die umweltschädlichen Stoffe abgeschieden oder in ungefährliche umgewandelt. Zuerst wird in der Entstickung das NOx (NOx ist die Summenformel für die beiden Stickstoffoxide NO und NO2) in einer katalytisch-chemischen Reaktion zu elementarem Stickstoff reduziert:
(1.1)
Das umweltschädliche Stickstoffdioxid (NO2) wird mittels Ammoniak (NH3) zu den ungefährlichen und in der Atmosphäre natürlich vorkommenden Stoffen Stickstoff (N2) und Wasserdampf (H2O) umgewandelt.
In der Entstaubung werden die Aschepartikel abgeschieden. Hierbei handelt es sich um ein typisches mechanisches Trennverfahren. Die Feststoffphase wird von der Gasphase getrennt. Eine hundertprozentige Ascheabscheidung vorausgesetzt, besteht das Rauchgas jetzt nur noch aus einer gasförmigen Mischphase. In der letzten Unit Operation werden die Schwefeldioxidmoleküle aus dem Gasstrom abgeschieden. Die Trennung des SO2 vom Restgasgemisch findet innerhalb einer Phase und somit im molekularen Bereich statt. Dies
