DE102004010068A1 - Verfahren zur Kohlendioxid-Elimination durch Eintrag in saure Tagebauseen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Kohlendioxid-Elimination durch Eintrag in saure Tagebauseen zur Verbesserung der Wasserqualität von sauren Tagebaugewässern insbesondere zur Anhebung des pH-Wertes und zum Aufbau eines Säure-Puffers unter Nutzung von CO2 aus Ab- und Anfallgasen oder anderen CO2-Quellen, gekennzeichnet dadurch, dass CO2 unter einem Druck von 1 bis 10 bar dem Wasser außerhalb des zu behandelnden Sees zugeführt wird und das CO2-begaste Wasser mit z.B. CaO; MgO; NaOH, Ca(OH)2, CaCO3, MgCO3 vorher bei pH-Werten von < 4,3 bis 5, vor, während oder nachher bei pH-Werten von > 4,3 bis 8,2 konditioniert wird und das so gepufferte Wasser zeit- und geoorientiert in tiefere Schichten eines Tagebausees eingebracht wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf die Nutzung von CO2 aus Abgasen der Industrie für die nachhaltige Verbesserung der Wasserqualität der oft stark sauren Tagebauseen in ausgeprägten Bergbauregionen.
  • Die Flutung von derartigen Tagebauseen erfolgt meist durch Selbstaufgang in Folge steigenden Grundwassers nach Beendigung der Bergbautätigkeit bzw. durch Zuführung von Oberflächenwasser von in der Umgebung liegenden Fließgewässern.
  • Nach Einstellung des offenen Bergbaus und der damit verbundenen Einstellung der allgemeinen Grundwasserabsenkung durchströmt das wieder in Erscheinung tretende Grundwasser die vom Bergbau hinterlassenen Kippen. Insbesondere aufgrund von Pyritverwitterung im offenen Bergbau sind diese Kippen oft mit einem hohen Säurepotential angereichert. Das führt, insbesondere bei Mangel an Oberflächenwasser für die Flutung, zur Versauerung der entstehenden Tagebauseen mit pH-Werten bis auf < 3. Saure Zuströmungen mit dem Grundwasser führen ebenfalls zur Versauerung von bereits gefluteten oder neutralisierten Bergbaurestseen.
  • Durch den Mangel an Oberflächenwasser scheidet die Möglichkeit der Neutralisation von sauren Grundwasserzuströmungen in Restseen durch alleinige Nutzung von Oberflächenwasser, die allgemein als Stand der Technik bekannt ist, in der Regel aus.
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Natron- oder Kalilauge in unterschiedlichen Konzentrationen zur Neutralisation einzusetzen. Dies erfolgt meist bei speziellem Anwendungsbedarf, bei kleinen Mengen oder in Verbindung mit chemischen Prozessen, da diese Produkte sehr teuer sind.
  • Bei Einsatz von Soda in sauren Seen mit freier Schwefelsäure bei pH-Werten von < 4,3 besteht die Gefahr des Ausgasens von CO2 aus dem Seewasser. Darüber hinaus kann der Einsatz von Soda vorhandene Gipsausfällungen auflösen und damit den ohnehin hohen Sulfatgehalt im Seewasser weiter erhöhen. Durch die Verwendung von Soda wird der Natriumgehalt des Seewassers und die Leitfähigkeit deutlich erhöht. Soda weist darüber hinaus den Nachteil auf, dass es eine reine chemische Substanz ist, die einen hohen Preis hat und selbst bei geringem technischem Aufwand zu außerordentlich hohen Neutralisationskosten führt.
  • Weiter ist aus dem Stand der Technik bekannt, saure Wässer durch Kalkung zu neutralisieren. Die Kalkung ist aus der Aufbereitung saurer Wässer zu Brauch- oder Trinkwasser bekannt und wird beispielsweise in Grubenwasseraufbereitungsanlagen praktiziert. Hier ist prinzipiell der Einsatz von Branntkalk, Kalkhydrat und Kalkmilch bekannt. Ein grundsätzliches Problem bei der Verwendung calciumhaltiger Produkte in sulfatreichen Wässern ist die Gefahr der Vergriesung und Vergipsung. Durch die hohen Sulfatgehalte des Seewassers kann sich auf den Kalkprodukten eine Gipskruste bilden, die eine weitere Auflösung und Reaktionsentfaltung behindert und damit den Produkteinsatz uneffektiv gestaltet. Diese Erscheinung gilt insbesondere für Branntkalk, der zusätzlich in hohem Maße zur Hydratation und Carbonisierung neigt, und in der Regel nur gelöscht und als Suspension mit definierter Applikation einsetzbar ist.
  • Aus der Braunkohlenindustrie ist bekannt, Braunkohlenschlämme und Braunkohlenaschen in Tagebaurestlöcher zu transportieren und dort zu deponieren. Studien haben gezeigt, dass gerade die Einspülungen von Kraftwerksaschen aus der Verbrennung von Braunkohlen für einen relativ hohen pH-Wert von pH > 10 im Wasser des Restsees sorgten. Nach Einstellung der Braunkohlenverbrennung und der damit verbundenen Einstellung der Einspülungen ist der pH-Wert auf Grund der geringen Pufferwirkung dann in relativ kurzer Zeit von ca. pH = 8 auf ca. pH = 3,5 abgesunken. Damit scheidet auch diese Möglichkeit für eine dauernde Neutralisierung saurer Wässer in Bergbaurestseen zum Zwecke einer wirtschaftlichen Nachnutzung aus.
  • Bekannt ist weiterhin ein Verfahren, beschrieben in DE 199 61 243 , nachdem die in einem Tagebaurestsee vorhandenen eingespülten Kraftwerksaschen, die aus der Verbrennung von Braunkohlen stammen und am Boden eines Tagebaurestsees sedimentiert sind, wieder aufzunehmen, zu verwirbeln und über Rohrleitungen im sauren Restsee zu verteilen und zur Neutralisation zu nutzen. Dieses Verfahren ist jedoch nur begrenzt nutzbar, wenn Altaschen im Gewässer vorhanden sind.
  • In den Offenlegungsschriften DE4124073 A1 und WO 02/16272 sind kontinuierliche Verfahren zur Behandlung saurer Wässer in Reaktoren beschrieben. Die Anwendung bei offenen größeren Bergbaurestseen erfordert jedoch einen unverhältnismäßig hohen technisch-ökonomischen Aufwand. Eine technische Anwendbarkeit für offene große saure Wasserkörper ist damit wirtschaftlich und technisch sinnvoll nicht möglich.
  • Die Nutzung von CO2 für den Aufbau einer Pufferkapazität ist ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt. So wurde z. B. vorgeschlagen, CO2 in sogenannten Grubenwasserreinigungsanlagen (GWRA) als Konditionierungsmittel einzusetzen und im gereinigten Wasser einen Säurepuffer aufzubauen. Auf Grund der Wasserbehandlung und Förderung des Wassers unter Normaldruck entweicht jedoch ein Großteil des eingebrachten CO2 und der Aufwand für ein derartiges Verfahren ist wirtschaftlich nicht darstellbar.
  • Im Zusatzpatent zur Anmeldung nach Nr. 101 07 941.9 wird ein Verfahren beschrieben, welches auch konzentriertes CO2-Gas zur Verbesserung der Wasserqualität nutzen kann. Das Einbringen von CO2 unter Normaldruck führt jedoch relativ schnell zum Wiederaustreten von CO2 in die Atmosphäre, wenn CO2-beladenes Wasser an die Oberfläche eines Sees gelangt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein effizientes Verfahren für das Einbringen und die Verwertung von CO2 in Tagebauseen zu finden, wobei die bekannten Techniken zur Wasserbehandlung der Grubenwässer, wie Grubenwasserreinigungsanlagen (GWRA); Inlake-Verfahren bzw. das Konditionieren von Flutungswasser genutzt werden. Die behandelten Tagebauseen sollen nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Pufferkapazität von > 1 mmol/l bei pH-Werten von ≥ 6 bis 8 aufweisen.
  • In den kommenden Jahren steht CO2 aus Abgasen der Industrie vor dem Hintergrund der weltweiten Klimaveränderung mit neuen wirtschaftlichen Aspekten zur Verfügung. Die Verbringung von CO2 im Untergrund ist eine der möglichen Varianten der CO2-Elimination. Erfindungsgemäß können beide Probleme, die Bildung extrem CO2-Elimination. Erfindungsgemäß können beide Probleme, die Bildung extrem saurer Tagebauseen und die CO2-Emission der Industrie vor allem im Braunkohlenbergbau durch die Nutzung von Synergieeffekten teilweise gelöst werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass CO2 über eine Druckbegasung eines Wasserteilstromes über spezielle Vorrichtungen in die tieferen Bereiche sowie bei optimalen jahreszeitlichen Konstellationen dem Tagebausee zugeführt wird. Das Zuführen von CO2 in den See erfolgt dabei koordiniert mit dem Zuführen von gereinigtem Grundwasser, einer Inlake-Behandlung bzw. der Zuführung von konditioniertem Oberflächenwasser.
  • Erfindungsgemäß erfolgt das flächenmäßige Einbringen des CO2 vorzugsweise an jenen Stellen des Tagebausees, wo Grundwasserströmungen das behandelte Wasser relativ schnell in das benachbarte Gebirge tragen und somit ein hoher Partialdruck des CO2 und damit eine Langzeitwirkung zur Verbringung von CO2 im Untergrund gegeben ist.
  • Erfindungsgemäß erfolgt das Einleiten des CO2 jeweils seespezifisch unter Berücksichtigung der gegebenen Morphologie, der Exposition des jeweiligen Tagebausees zum Grundwasserstrom, der jahreszeitlich unterschiedlichen wasserbedingten Strömungsverhältnisse und sonstiger Austauschvorgänge zwischen Seegrund und Wasserkörper.
  • Um eine maximale Aufenthaltszeit des eingebrachten CO2 und optimale Reaktionsmechanismen zu erzielen ist für jeden See eine spezifische Optimierungsmatrix zu erstellen, die das Wiederentweichen von CO2 in die Atmosphäre minimiert und die Pufferkapazität des Verfahrens maximiert.
  • Vorzugsweise wird in Bergbauregionen für das erfindungsgemäße Verfahren CO2 aus Abgasen von nahegelegenen Kraftwerken, Chemieanlagen und dgl. genutzt. Der hohe Stickstoffanteil des Abgases aus Verbrennungsanlagen kann wahlweise vor dem Einbringen in den Tagebausee sequestriert werden. In speziellen Fällen kann der in den Abgasen enthaltene Stickstoff auch mit in den See eingebracht werden. Hier dient er dann als Lösevermittler für Kalk- und Dolomitprodukte, in dem das CO2 des CO2/N2-Gemisches in den tieferen Schichten des Sees bei höheren Drücken rasch von Wasser aufgenommen wird und mit den aufsteigenden Gasblasen des N2 ein intensiver Austauschprozess an der Grenzfläche Gas/Wasser/Feststoff stattfindet, so dass an der Oberfläche des Sees nur noch geringe CO2-Anteile in die Atmosphäre entweichen.
  • Ein weiterer wesentlicher Teil der Erfindung besteht darin, dass in Verbindung mit einer In-Lake-Behandlung eines Tagebausees unter Einsatz von alkalischen Materialien wie z.B. Kalk , Dolomit, Natronlauge, (CaO; MgO; NaOH, Ca(OH)2, CaCO3, MgCO3) das CO2 in einen Kreislaufstrom von Wasserbehandlungsanlagen so eingebracht wird, dass eine maximale Löslichkeit der alkalisch wirkenden Produkte und ein maximaler Hydrogencarbonatpuffer erzeugt wird. Dabei erfolgt die CO2-Zugabe pH-Wert-abhängig. Bei pH-Werten von < 4,3 bis 5 erfolgt die Zugabe von CO2 nach der Zugabe der alkalischen Produkte und bei pH-Werten von > 4,3 bis 8,2 vor, während oder nach der Zugabe der alkalischen Produkte. Erfindungsgemäß wird der so behandelte Kreislaufwasserstrom in tiefere Schichten des Tagebausees derart verteilt, dass hauptsächlich die kälteren Schichten des Tagebausees erfasst werden und ein hoher Anteil der alkalischen Stoffe und des Hydrogencarbonates mit dem Grundwasser in das angrenzende Gebirge abfließt.
  • Erfindungsgemäß erfolgt das Einbringen des CO2 gasförmig über spezielle Vorrichtungen. Im Falle des Einbringens in tiefere Seehorizonte erfolgt die Zuführung und Verteilung derart, dass über Schlauchsysteme, die miteinander vernetzt sein können und eine Vielzahl von Ausströmöffnungen besitzen, eine flächenhafte Verteilung des CO2, die mindestens 10 % des jeweiligen Seeareals einnimmt, erfolgt.
  • Im Falle des Einbringens des CO2 oberhalb der Seeoberfläche werden die Einbringvorrichtungen unter einem Überdruck von 1 bis 10 bar betrieben und das CO2-begaste Wasser in tiefere Schichten bei Drücken von 0,3 bis 6 bar eingebracht. Die Zuführungsstellen des CO2-begasten Wassers in den jeweiligen See werden den jeweiligen Bedingungen (GW-Strömung; Wetter; Morphologie usw.) angepasst.
  • Für das Einbringen von CO2 in ein Rohrleitungssystem wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung genutzt, die CO2 über einen Rohrstutzen und eine gesonderte CO2-Zuführungsleitung das Gas mittig in den Wasserstrom der Kreislaufwasserleitung einbringt und die Verteilung des CO2 bzw. des N2/CO2-Gemisches über ein Verteilsiebsystem feinblasig in das vorbeiströmende Wasser einbringt.
  • Im Falle der CO2-Begasung bei der In-Lake-Behandlung von Tagebauseen erfolgt erfindungsgemäß die Entnahme von Wasser für den Behandlungskreislauf aus tieferen Schichten des Sees um zu gewährleisten, dass stets das kältere Wasser für eine hohe CO2-Löslichkeit für den Kreislauf genutzt wird.
  • Seit dem Entstehen der Tagebauseen sind die zurückgebliebenen Hohlformen der ausgekohlten Tagebaue häufig durch niedrige pH-Werte und hohe Sulfatkonzentration gekennzeichnet, die hauptsächlich auf die oxidierten Kippenmaterialien zurückzuführen sind. Folglich ist es technisch sinnvoll, das Kohlendioxid aus Abgasen in die Tagebaurestseen einzubringen. Und da Kohlendioxid in Wasser schnell in Lösung geht und durch Dissoziation in Bicarbonat umgewandelt werden kann, ist dies ein einfacher Weg, das Kohlendioxid zu verwerten. Calcit und Dolomite, unabhängig davon ob sie im Boden oder im See vorhanden sind, werden durch die Zugabe von Kohlendioxid gelöst. Dieser Prozess verbraucht Kohlendioxid. Da jedoch Oberflächenwasser mit dem atmosphärischen Partialdruck im Gleichgewicht steht, wird nach einer bestimmten Aufenthaltszeit das meiste gelöste Gas wieder spontan entweichen und Calciumcarbonat wird sich bilden. In der Gesamtbilanz wird jedoch die gleiche Menge an Kohlenstoffdioxid, die gelöst wird, auch wieder entweichen. Im Gegensatz dazu ändern sich die Bedingungen deutlich, wenn z. B. suspendiertes Calciumoxid [CaO] oder Calciumsilicate zugegeben werden. In diesem Fall wird genauso Calcit gebildet, nur dass das CO3 2- im Calcit [CaCO3] aus dem gasförmigen Kohlendioxid [CO2] stammt. Damit ist dies eine neuartige Lösung zur Festlegung von CO2 bzw. zum Verringern der Kohlendioxidemission.
  • Hinzu kommt, dass die Tagebauseen in der Regel von einer beträchtlichen Grundwasserströmung durchflossen werden, womit verhindert wird, dass ein Teil des CO2 an die Oberfläche des Sees gelangen wird und erweichen kann.
  • Das Prinzip der Erfindung soll im folgenden an einem Beispiel näher erklärt werden.
  • Die Zeichnungen zeigen 1. Das Prinzip der Seewasserbehandlung mit Eintrag der Suspension in den See, 2. Das Prinzip der CO2-Druckbegasung beim Eintrag von CO2 in die Suspension und 3. Den Eintrag der Suspension und des CO2 in einen Tagebausee.
  • In einem Tagebausee mit einem Volumen von 10 Mio m3 Wasser, einem pH-Wert von 3,1 und einem KB4,3-Wert von 1,31 mmol/l soll durch eine In-Lake-Behandlung mit kombinierter CO2-Begasung die Wasserqualität entscheidend verbessert werden. Die Calcium-Ionen-Konzentration wurde mit 161 mg/l und die Sulfat-Ionen-Konzentration mit 570 mg/l gemessen. Die Konzentration der Eisen-Ionen beträgt 9,5 mg/l. Alle anderen Anionen und Kationen können vernachlässigt werden.
  • Bei der Inlake-Behandlung wird aus Seewasser und alkalischem Material eine Suspension hergestellt. Die Suspension wird mit 1000 m3/h mit 5 Ma-% alkalischem Material in den See eingetragen werden. In der folgenden durchgeführten Modellrechnung wurde von der Verwendung von Ca(OH)2 mit einem entsprechenden Eintrag von 50 kg/m3 und einem Gesamteintrag von 3350 t ausgegangen. Die Suspension wird anschließend auf ein Seevolumen von 150.000 m3 verteilt. Mit der Einspülung der Suspension in das entsprechende Seevolumen ergeben sich folgende Verhältnisse: pH-Wert = 8,0 und KS4,3 = 0,22.
  • Bei der Durchführung des Verfahrens werden 0,6 kg CO2/kg Ca(OH)2 und damit insgesamt 1980 t in die Suspensionsleitung unter einem Druck von 4 bar über ein Siebsystem zur feinblasigen Verteilung des Gases gegeben. Da die Temperatur des aus tieferen Seeschichten entnommenen Wassers zur Suspensionsherstellung lediglich 12°C beträgt und das Gas bei einem Druck von 4 bar eingebracht wird, ist seine Löslichkeit entsprechend hoch.
  • Die Suspension wird mit einem Verhältnis von 1000 m3 Suspension auf 150.000 m3 Wasser im See verteilt. Die Werte des so behandelten Seewassers verändern sich zu pH = 6,85 und KS4,2 = 5,88 mmol/l. Der pH-Wert ist im neutralen Bereich und entspricht den geforderten Ausleitbedingungen für Tagebauseen und der Säurepuffer des Seewassers wurde durch den Eintrag von Kohledioxid und alkalischem Material und deren Dissoziation zu Hydrogencarbonat beträchtlich angehoben, womit der Seewasserkörper bezüglich seiner Qualität erheblich wiederstandsfähiger gegen z.B. zuströmendes saures Grundwasser ist.
  • Das Suspension - CO2-Gemisch wird über eine entsprechende Verteilvorrichtung in tiefere Schichten (5 m unter Wasseroberfläche) des zu behandelnden Wasserkörpers eingebracht, um auch hier höhere Druck- und niedrigere Temperaturverhältnisse im Hinblick auf die Löslichkeit des Gases auszunutzen. Die Verteilvorrichtung wird mit Bojen und Ankern in der vorgegebenen Gewässertiefe gehalten.
  • Im Falle des direkten Einbringens von CO2 in ein Tagebausee erfolgt die Begasung des Wassers quasi auf dem Seegrund. Die Verteilung der Wasser – Kalk – Suspension erfolgt hier an der Seeoberfläche über den Einbringstellen des CO2.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Kohlendioxid-Elimination durch Eintrag in saure Tagebauseen zur Verbesserung der Wasserqualität von sauren Tagebaugewässern insbesondere zur Anhebung des pH-Wertes und zum Aufbau eines Säure-Puffers unter Nutzung von CO2 aus Ab- und Anfallgasen oder anderen CO2-Quellen, gekennzeichnet dadurch, dass CO2 unter einem Druck von 1 bis 10 bar dem Wasser außerhalb des zu behandelnden Sees zugeführt wird und das CO2-begaste Wasser mit z.B. CaO; MgO; NaOH, Ca(OH)2, CaCO3, MgCO3 vorher bei pH-Werten von < 4,3 bis 5, vor, während oder nachher bei pH-Werten von > 4,3 bis 8,2 konditioniert wird und das so gepufferte Wasser zeit- und geoorientiert in tiefere Schichten eines Tagebausees eingebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass vorgereinigte CO2-haltige Rauch- oder Abgase aus Industrieanlagen für die CO2-Begasung genutzt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbegasung in Rohrleitungssystemen bei einem Druck von 1 bis 10 bar erfolgt und das die Zuführung des CO2 durch entsprechende Verteileinrichtungen so erfolgt, dass die Lösung des CO2 in Wasser innerhalb von 2 bis 30 Minuten abläuft.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein CO2 bzw. N2/CO2-Gemisch direkt in tiefere Schichten eines Tagebausees so eingeleitet wird, dass es beim Aufsteigen von CO2-Bläschen bzw. Temperatur- und Wetter-bedingten Austauschprozessen in Kontakt mit konditioniertem Wasser in den oberen Schichten eines Tagebausees kommt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass CO2 bzw. N2/CO2-Gemisch zur Begasung von Wasser in einem Rohrleitungssystem derart eingebracht wird, dass über einen Stutzen die Gaszuführung mittig in die Rohrleitung und die Verteilung des Gases über ein Siebsystem feinblasig in das vorbeiströmende Wasser erfolgt.
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