Zwei Filter in einem

Laut den Entwicklern eines neuartigen Filtersystems kann fast der gesamte Staub aus dem Abgas einer kohlegefeuerten Kesselanlage entfernt werden - mit einem viel kleineren Filter.

DAS BIG STONE KOHLEKRAFTWERK befindet sich in der windreichen Ebene von South Dakota in der Nähe von Milbank. Und wie alle kohlebefeuerten Kessel erzeugt Big Stone eine große Menge an mikroskopisch feinem Staub. Dies ist der Ruß, der einst die Industriestädte im amerikanischen Osten schwärzte und auch heute noch die Luft in vielen Regionen der Welt verpestet.

Der Betreiber des Kraftwerks, die Firma Otter Tail Power Co. aus Fergus Falls, Minnesota, installierte kürzlich ein neues Filtersystem, das die Emissionen von diesem gefährlichen Staub vermindern soll. Das Ergebnis ? "Das Abgas, das den Schornstein verlässt, ist sauberer als die Luft in der Umgebung", sagte Stanley Miller, Forschungsleiter am Energy and Environmental Research Center in Grand Forks, North Dakota, und Entwickler des neuen Filtersystems.

Das im Big Stone Kraftwerk installierte Emissionsminderungssystem befindet sich zwar noch in der Testphase, erweist sich aber bereits jetzt als vielversprechend. "Diese Technologie kann nicht jedes Problem lösen", sagte John Rockey, Projektleiter am National Energy Technology Laboratory in Pittsburgh. "Sie ist jedoch bei weitem besser als jede andere Technologie auf dem heutigen Markt."

Staubemissionen waren lange Zeit der Fluch der Kohleenergie. Die mikroskopischen Asche- oder Staubpartikel bilden sich im Kessel entweder durch unvollständigen Ausbrand der Kohle oder durch Kondensation von flüchtigen Stoffen, wie beispielsweise Schwefelverbindungen. Die Forschung hat diese Partikel mit einer Reihe von Gesundheitsproblemen, insbesondere Asthma und Bronchitis, in Verbindung gebracht.

Elektrofilter sind die am weitesten verbreitete Technik zur Entstaubung von kohlebefeuerten Kesseln in den Vereinigten Staaten. Miller schätzt, dass diese bei 80 bis 90 Prozent der Kraftwerke, die einen Staubfilter haben, zur Anwendung kommen. Beim Kondensieren der Partikel im Abgasstrom werden sie durch Elektroden elektrostatisch aufgeladen. Die Partikel werden dann von Platten im Elektrofilter angezogen, die elektrisch entgegengesetzt geladen sind. Der Staub sammelt sich auf den Platten in ähnliche Weise wie Hausstaub auf einem Computerbildschirm.

Leider sind Elektrofilter nicht sehr wirksam beim Entfernen von Partikeln unter einer Größe von 2,5 Mikrometern - die sich am ehesten in den Lungen festsetzen und Langzeitschäden verursachen. "Die Partikel, die das größte Gesundheitsproblem darstellen, sind die, die am schlechtesten eingefangen werden", sagte Miller.

Eine andere Technologie ist dagegen hervorragend geeignet, um diese feineren Partikel zu beseitigen. Kurz gesagt, schickt sie das Abgas durch einen Gewebefilter - eine Hightech-Version eines Staubsaugerbeutels. Derartige Filter erweisen sich als sehr wirksam beim Entfernen von kleineren Partikeln. Die "Filterschläuche", wie sie genannt werden, müssen jedoch mit relativ niedrigen Anströmgeschwindigkeiten betrieben werden, wodurch sich die Kosten erhöhen.

Im Auftrag des Energieministeriums kombinierten Miller und seine Kollegen die besten Filter- und Abscheidetechnologien in einem Gerät, das als Hybridfilter "AHPC (Advanced Hybrid Particulate Collector)" bezeichnet wird. Rauchgas strömt durch einen elektrostatischen Abscheider, der 90 bis 95 Prozent des Staubs entfernt, und passiert anschließend einen Schlauchfilter, bevor es den Schornstein verlässt. Das System entfernt 99,995 Prozent aller Partikel im Rauchgas - eine Verbesserung von zwei Größenordnungen gegenüber gegenwärtigen Verfahren.

Darüber hinaus kann die Anlage bei Verwendung der von W.L. Gore & Associates in Elkton, Maryland, entwickelten Membranfilterschläuche bis zu 10 mal kleiner als konventionelle Filteranlagen sein, dank der Tatsache, dass das Abgas von den elektrostatischen Abscheidern vorgereinigt wird und die Filterschläuche periodisch durch ein Rückblassystem abgereinigt werden.

"Durch diese Technologie lässt sich der Prozess mit weitaus höheren Filtriergeschwindigkeiten betreiben", sagte Miller, "sodass eine kleinere Filterfläche als bei einem konventionellen Gewebefilter ausreicht. Das macht ihre Attraktivität aus."

Rockey von NETL meinte, der entscheidende Punkt seien die Kosten. "Wir glauben, das noch Raum für weitere Verbesserungen bei diesem Aspekt bestehen", sagte Rockey. Die Wirtschaftlichkeit des Systems wird nach einem zweijährigen Einsatz beurteilt.

Miller ist der Meinung, dass der Wert von Hybridfiltern darin besteht, dass sie große Gebiete - insbesondere mit hoher Bevölkerungsdichte oder ökologisch empfindlichen Bereichen - für neue Kohlekraftwerke öffnet. "Wenn man Staubemissionen so weit reduzieren kann", so Miller, "lassen sich Kohlekraftwerke praktisch überall errichten."

Jeffrey Winters, Stellv. Redakteur
Copyright American Society of Mechanical Engineers, Juli 2003