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Erstes Statusseminar ’’Druckflamm”

Entwicklung eines kohlegefeuerten Gas- und Dampfturbinenprozesses mit Flussigascheabscheidung

RECEIVED AUG 1 0 1999 o&qri

Tagungsband: Vortrage und Poster

17. November 1998, Zeche Zollverein,Essen

PreussenElektra Kraftwerke

Bundesministerium fur ProjekttrSger Biologic, Energie, Wirtschaft und Technologie Umweltdes BMBF und des BMWi Forschungszentrum Julich GmbH Fur Form und Inhalt der Beitrage zeichnen die jeweiligen Autoren verantwortlich. Der Herausgeber ubemimmt keine Gewahr fur die Richtigkeit und Vollstandigkeit der Angaben sowie fur die Beachtung von Rechten Drifter.

Herausgeber: STEAG AG, Dr. Klaus Hannes, 45117 Essen, e-mail: [email protected] DISCLAIMER

Portions of this document may be illegible in electronic image products. Images are produced from the best available original document. *■ DEO12 889 362* Vorwort

Druckflamm ist der Arbeitstitel, unter dem Industrieuntemehmen, GroBforschungseinrichtun- gen, Universitaten und Hochschulen an der Zielsetzung arbeiten, einen kohlegefeuerten GuD-ProzeB mit hohen Wirkungsgraden zu realisieren.

Das Bundesministerium fur Wirtschaft und Technology in Nachfolge des Bundesministeri- ums fur Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie sowie das NW-Lan- desministerium fur Schule und Weiterbildung, Wissenschaft und Forschung und das NW- Ministerium fur Wirtschaft, Mittelstand und Forschung unterstutzen das Vorhaben, dessen Ergebnisse hier in diesem Statusbericht zusammengefaBt werden, maBgeblich.

Die Betreuung der geforderten Vorhaben fur das BMWi wird vom Projekttrager Biologie, Energie, Umwelt (BEO),des Forschungszentrums Julich wahrgenommen.

Die Zielsetzung enthalt ein groBes Potential fur wirtschaftlichen Fortschritt, Resourcenscho- nung und Umweltvertraglichkeit.

Das Statusseminar Druckflamm findet in diesem Jahr zum ersten Mai statt und soil in regel- maBiger Folge wiederholt werden.

Einleitung

Im Ruhrgebiet wird an einem neuen Verfahren zur Verstromung von Steinkohle gearbeitet. Es soil in etwa 20 Jahren mit einem neuen Kraftwerkstyp einsetzbar sein. Kennzeichen die­ ses Verfahrens sind ein hoher Wirkungsgrad von mehr als 50 % und eine geringe C02-Emis- sion. Entwickelt wird das "Druckkohlenstaubfeuerung" genannte Projekt von sechs Industrie- unternehmen. Zusatzlich arbeiten an diesem Thema weitere Unternehmen sowie Universi­ taten und GroBforschungseinrichtungen unter dem Arbeitstitel "Druckflamm".

Bisherige Ergebnisse der grundlegenden Entwicklungsarbeiten sind in diesem Statusbericht zusammengefaBt. Mehr als 100 Wissenschaftier und Ingenieure nahmen an dem Statusse­ minar teil. i i Hierbei stellten sie fest, daB Wirtschaftlichkeit und Umweltschutz mit dem neuen Verfahren deutlich verbessert werden kbnnen. Dieses Ziel wird - neben Energiesparen - vor allem durch die Verbesserung des Umwandlungswirkungsgrades erreicht.

Zur praktischen Erprobung dieser Entwicklung wird in Dorsten auf dem Gelande eines fruhe- ren STEAG-Kraftwerkes eine Versuchsanlage gefahren. Mit ihr wollen die Betreiber den Gas- DampfturbinenprozeB, der mit Heizol Oder Gas Wirkungsgrade von z.Z. 57 % erreicht, auch fur Kohle nutzbar machen. In dieser Anlage werden erprobt: • Verbrennung von Kohle unter Druck . Reinigung des heilien Rauchgases bei 1.400°C und 16 bar von schmelzflussigen Aschepartikeln • Reinigung des heiften Rauchgases von Alkalien, die korrodierend auf Gasturbinen- schaufeln einwirken wurden • Entwicklung von keramischen Werkstoffen, die den hohen Temperaturen, dem hohen Druck, den erosiven und korrosiven Einflussen der Asche und der Rauchgase standhal- ten • Gasmefttechnik, die zuverlassige Ergebnisse bei den Druck- und Temperaturverhaltnis- sen liefert und zum Schutz der Gasturbine unverzichtbar ist.

An der Versuchsanlage sind beteiligt L.&C. Steinmuller GmbH, Lurgi Umwelt GmbH, Preus- senEIektra Kraftwerke AG, SaarEnergie GmbH, Siemens AG und STEAG AG. Das damit getestete Verfahren ist als erstes Projekt der Kohleverbrennung unter hohem Druck eine grofie technische Herausforderung. Sie verspricht einen erheblichen Technologiesprung und die Zukunft der Kohle auch unter Umweltgesichtspunkten iangfristig abzusichern.

Parallel zu dem Betrieb der Versuchsanlage arbeiten zahlreiche Universitaten und For- schungsinstitute an Aufgaben und Problemen, die wahrend des Betriebes der Versuchsan­ lage erkannt wurden und nur mit hochtechnischen Geraten der Grundlagenforschung bear- beitet werden konnen.

Aufgrund der aus dem Betrieb der Versuchsanlage resultierenden Ergebnisse sowie des Standes der Forschungsarbeiten waren sich die Teilnehmer darin einig, daS Ideenreichtum und beharrliche Entwicklungsarbeit weiterhin notwendig sein werden, urn das neue an- spruchsvolle Kraftwerkskonzept erfolgreich zu erarbeiten. Die vorgelegten Erkenntnisse stimmten die Fachleute optimistisch.

Bei ihrer Arbeit haben sie auch im Blick, daft die Stromerzeugung aus Kohle fur lange Zeit unverzichtbar bleiben wird. 66 % der weltweit vorhandenen fossilen Energiereserven beste- hen aus Kohle. Mit diesen Energievorraten ressourcen- und umweltschonend umzugehen, ist ein wichtiger Aspekt der Entwicklung der neuen Kraftwerkstechnik. Vortrage: Seite Begruliung 1 Dr. H. Scholtholt, Vorstandsmitglied der STEAG AG, Essen; LenkungsausschuBvorsit- zender des Verbundprojektes Druckkohlenstaubfeuerung

1. Themenbereich: Bisherige Ergebnisse der Versuchsanlage Dorsten

1.1 Ergebnisse und Aufgabenstellungen aus dem Versuchsbetrieb Dorsten 4 Dr. M. Forster, Saarberg AG, Saarbrucken

2. Themenbereich: Druckverbrennung

2.1 MalSnahmen zur Beeinflussung der Stickoxidbildung und Alkalien- freisetzung bei der Kohlenstaubdruckverbrennung 9 Dr. W. Thielen, H. Niepel, L. & C. Steinmuller GmbH, Gummersbach

2.2 Experimented und theoretische Untersuchungen an der Druckkoh­ lenstaubfeuerung der RWTH Aachen 16 Prof. Dr.-lng. U. Renz, Lehrstuhl fur Warmeubertragung und Klimatechnik, RWTH Aachen

2.3 Kooperation bei der Simulation eines Druckkohlenstaubreaktors mit unterschiedlichen Simulationsprogrammen 27 Stefan Murza (Vortragender), Markus Mohr, LEAT, Ruhr-Uni Bochum, Stefan Richter, Jochen Strohle, IVD, Universitat Stuttgart, Marcus Hecken, Ayhan Ayar, WUK, RWTH Aachen

2.4 Untersuchungen zur Kohleziindung am Flachflammenbrenner unter Verwendung optischer Melitechnik 36 Georg Hacked (Vortragender), Siegmar Wirtz, Hans Kremer, LEAT, Ruhr-Uni Bochum

2.5 Reaktionskinetische Untersuchungen zur Kohlenstaubverbrennung mitdem Hochdruck- Hochtemperatur-Fallrohrreaktor KOALA 45 B. Bonn, M. Kaiser, H. Seewald, DMT-Gesellschaft fur Forschung und Prufung mbH, Geschaftsbereich FuelTec, Essen

2.6 Druckverbrennung von rheinischer Braunkohle 52 Dipi.-lng. Rolf Chalupnik, Dr.-lng. Joachim Konig, RWE Energie AG, Essen

3. Themenbereich: Alkalien

3.1 Freisetzung und Einbindung von Alkalien bei der Kohleverbrennung 75 A. Witthohn, L. Oeltjen, K. Hilpert und L. Singheiser, Forschungszentrum Julich, Institut fur Werkstoffe und Verfahren der Energietechnik, Julich

3.2 Freisetzung und Einbindung von Alkalien bei der Druckverbrennung von Kohlen 84 C.R. Steffin, W. Wanzl, K.H. van Heek, DMT-Gesellschaft fur Forschung und Prufung mbH, Geschaftsbereich FuelTec, Essen

3.3 Thermodynamik der Alkalifluchtigkeit bei der Druckkohlenstaubfeue rung und Vergleich mit MeBergebnissen 93 Prof. Meyer, Technische Universitat Bergakademie Freiberg, Institut fur Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, Freiberg 3.4 Untersuchungen zum Abbrandverhalten und zur Alkalienfreisetzung an einem Druckflugstromreaktor Spliethoff, H., Bauer, C., Reichelt, T„ Hein, K.R.G., Institut fur Verfahrens- technik und Dampfkesselwesen, Universitat Stuttgart

3.5 Mineralogische Untersuchungen von Schlacken und Stauben aus der Druckkohlenstaubfeuerung Michael Enders & Andrew Putnis, Institut fur Mineraiogie; Westfalische Wilhelms-Universitat, Munster

3.6 Untersuchungen zur Hochtemperaturabscheidung von Alkalikompo- nenten in elektrischen Feldern Dr. Kurt Hubner, Prof. Dr.-lng. Klaus Gorner, Lehrstuhl fur Umweltverfah - renstechnik und Anlagentechnik, Universitat GHS Essen

4. Themenbereich: Keramische Werkstoffe

4.1 Konstruktions- und Funktionskeramiken innerhalb der Druckkohlen­ staubfeuerung Dr. Pavone, Druckkohlenstaubfeuerung GbR, Dorsten

4.2 Keramische Werkstoffe zur Anwendung als Funktionswerkstoffe in Druckkohlenstaubfeueriingsanlagen A. Sax, R. Telle, RWTH Aachen, Institut fur GesteinshQttenkunde, Lehr­ stuhl fur Keramik und Feuerfeste Werkstoffe, Aachen

4.3 Hochfeuerfeste Werkstoffe fur die Druckkohlenstaubfeuerung und Kohlevergasung Gerard Reymond, Urs Steiner, Saint-Gobain HP Refractories Venissieux France, Koln

4.4 Kombianlagen mit Kohlenstaubfeuerung Prof. Dr. techn. R. Leithner, Dipl.-lng. C. Ehlers, Institut fur Warme- und Brennstofftechnik, TU Braunschweig Dipl.-lng. K. Himmelstein, Prof. Dr.-lng. H. R. Maier, Institut fur Keramische Komponenten im Maschinenbau, RWTH Aachen

5. Themenbereich: GuD-Prozess mit Druckkohlenstaubfeuerung

5.1 GuD- Prozesse fur den Einsatz von Kohle Prof. Dr.-lng. I. Romey, Fachgebiet TEE, Universitat GHS Essen

6. Themenbereich: GasmeBtechnik unter hohen Drucken und Temperaturen

6.1 Methoden und Ergebnisseder GasmeBtechnik an der Druckkohlen­ staubfeuerung in Dorsten Dr. Wemer Christmann, PreussenElektra Engineering GmbH, Gelsenkirchen

7. Postersammlung zum Thema Druckkohlenstaubfeuerung

7.1 Posterubersicht Dr. Klaus Hannes, STEAG AG, Essen

SchluBwort zum Druckflamm-Seminar Dr. D. Guhmann, Bundesministerium fur Wirtschaft und Technologie, Bonn

Teilnehmerliste Begrufcung

Dr. H. Scholtholt, Vorstandsmitglied der STEAG AG, Essen; Lenkungsaus- schufl vorsitzender des Verbundprojektes Druckkohlenstaubfeuerung

1 Begriiftung Dr. H. Scholtholt, Vorstandsmitglied der STEAG AG, Essen; ■- - - Lenkungsausschuflvorsitzender des Verbundprojektes Druckkohlenstaubfeuerung

Zum Druckflamm-Seminar, das in dieser Form zum ersten Mai stattfindet, begruBe ich recht herzlich die Damen und Herren aus den Bundes- und Landesministerien, den Universitaten und Hochschulen, den GroBforschungseinrichtungen, den Ver- banden und der Industrie.

Wir haben uns in gemeinsamer Forschungsarbeit zusammengefunden mit der Ziel- setzung, ein neues anspruchsvolles Kraftwerkskonzept zu entwickeln. Ein Kraft- werkskonzept mit den Eigenschaften, besonders energiesparend zu sein, sehr ge- ringe C02-Emissionen zu haben, mit geringen Investitionen auszukommen und im Betrieb handlich, betriebssicher, wenig storanfallig und vor alien Dingen kostengun- stig zu werden. Auf der Basis des Gas-/Dampfturbinenprozesses, der bisher nur fur aschefreie Brennstoffe eingesetzt werden kann, dort aber mit Wirkungsgraden von z.Z. 57% alle anderen Stromerzeugungsverfahren weit ubertrifft, wollen wir eine Technik entwickeln, die den Einsatz von Kohle moglich macht.

Eine Reihe von Entwicklungsaufgaben in mehreren Fachgebieten erfordert Kom- petenz und Kreativitat aller Krafte, die fur diese Aufgabe einen Beitrag leisten kon- nen. Verbrennungsforschung, Asche- und Alkaliabscheidung bei hohen Temperaturen und Drucken, Hochtemperaturwerkstoffentwicklung und GasmeBtechnik sind nur einige der Entwicklungsfelder, die erfolgreich bearbeitet werden mussen, urn das Vorhaben langfristig zur industriellen Reife fuhren zu kdnnen. Die Zielsetzung ist an- spruchsvoll, da wir uns im Grenzbereich der konventionellen ProzeBfuhrung und der Materialbelastung bewegen.

Ein Blick zuriick in die Vergangenheit zeigt, daB bei konventionellen Kohlekraft- werken seit der Jahrhundertwende der Kohleeinsatz von 1000 g/kWh auf etwa 300 g/kWh abgesenkt werden konnte. Im Ruckblick ein riesiger Sprung, der jedoch durch viele kleine Verbesserungen in der ProzeBfuhrung, vor allem aber in der Verbesse- rung der Werkstofftechnik, erreicht wurde.

2 Wissenschaft und Industrie haben gemeinsam diese Leistung vollbracht, die Deutschland auf die ersten Platze in der Kraftwerkstechnik gehoben hat. Diese Tra­ dition fortzusetzen ist das Ziel, das Betreiber und Hersteller von Kraftwerken bewo- gen hat, vollig neue Wege zu gehen und das unmoglich Scheinende zu wagen.

Der Weg bisher war dornenreich und wir sind bei weitem noch nicht am Ziel. Ideen- reichtum und beharrliche Entwicklungsarbeit sind notwendig, urn schrittweise weiter- zukommen. Gemeinsam haben die PreussenElektra Kraftwerke AG und die STEAG AG den Vorschlag des BMBF aufgenommen, alle vorhandenen Krafte an Universi- taten, Hochschulen und GroRforschungseinrichtungen auf diese Aufgabe zu kon- zentrieren. Dieses Seminar ’’Druckflamm” soil das Forum sein, auf dem Erfahrungen zwischen Wissenschaft und Industrie ausgetauscht und neue Aufgabenstellungen definiert werden sollen.

Forschungsarbeiten bendtigen wissenschaftlich begabte und engagierte Menschen. Forschungsarbeiten bendtigen aber auch ausreichende finanzielle Mittel. Bei der Grundlagenforschung - in diesem Feld bewegen wir uns bei dem Projekt Druckflamm - geht es nicht ohne die offentliche Forderung. Es wurden bisher groRzdgig Mittel aus den zustandigen Ministerien bereitgestellt. Auch die Industrie hat Eigenmitte! zur Verfugung gestellt. Es zeigt sich, daR man dem Thema Druckflamm groRe Bedeu- tung beimiRt. Dies ist in hohem MaRe anerkennenswert. Wir haben uns bei all denen zu bedanken, die die Forschungsprojekte wohlwoliend begleiten und nach sachkun- diger Prufung die Bewilligung von Mitteln durchsetzen.

Fur uns alle resultiert daraus aber auch die Verpflichtung, mit diesen Mitteln effizient im Sinne der Zielsetzung umzugehen.

Ich wunsche nun alien Teilnehmem des Seminars ein gutes Gelingen und fruchtbare Diskussionen.

3 1.

Themenbereich:

Bisherige Ergebnisse der Versuchsanlage Dorsten

1.1

Dr. M. Forster, Saarberg AG, Saarbrucken

Ergebnisse und Aufgabenstellungen aus dem Versuchsbetrieb Dorsten DE99G9519 Ergebnisse und Aufgabenstellungen aus dem Versuchsbetrieb Dorsten

Priv.-Doz. Dr. M. Forster, Saarberg AG, Saarbriicken

Ziel des Verbundprojektes Druckkohlenstaubfeuerung (DKSF) in Dorsten ist, einen GUD- Prozeft auf Kohlebasis zu entwickeln, der dadurch charakterisiert ist, daft das Rauchgas nach Reinigung unmittelbar auf eine Gasturbine geleitet werden kann. Dabei muft das Rauchgas soweit von Partikeln und materialschadlichen Dampfen gereinigt werden, daft es gasturbinenvertraglich wird. Nach Angaben der Turbinenhersteller bedeutet dies einen Parti- kelgehalt < 3 mg / i.N. bei einem Partikeldurchmesser < 3 pm und einen Aikaligehalt < 1 ppm.

Die in Dorsten errichtete Versuchsanlage besitzt eine thermische Leistung von 1 MW und kann bis zu einem Druck von 20 bar betrieben werden. Ein Oberblick fiber die bisher erziel- ten Ergebnisse und gewonnenen Erkenntnisse zu Einsatzkohle, Verbrennung und Rauch- gasreinigung wird der schematischen Darstellung der Anlage folgend (Abbildung 1) gege- ben. Ober Materialverhalten und Mefttechnik wird gesondert berichtet (Pavone, Christmann).

Als Brennstoff wurden Kohlen unterschiedlicher Zusammensetzung mit Schlackeflieftpunk- ten zwischen ca. 1200 bis 1400 °C eingesetzt, die Mehrzahl der Versuchslaufe wurde mit Spitzbergen- und Ensdorf-Kohie durchgefuhrt, deren Analysen in Tabeile 1 aufgefuhrt sind. Die Einsatzkohlen standen mit einer Aufmahiung von 90 % < 100 pm zur Verfugung. Die Dosierung der Kohle erfoigt mit einer Zellenradschleuse im Druckbereich der Anlage. Dies System arbeitet inzwischen mechanisch weitgehend storungsfrei, wobei aber starke Dosie- rungsschwankungen den erwunschten gleichmaftigen Kohleeintrag und somit eine gleich- maftige Verbrennung storen.

In der Versuchsanlage kommt ein Deckenbrenner zum Einsatz. Dieser steht in zwei unter- schiedlichen Bauformen zur Verfugung, die sich hinsichtlich einstellbarer Flammengeome- trien unterscheiden. Mit beiden Brennem war unabhangig von der Luftverteilung eine Ver­ brennung des eingetragenen Kohlenstaubes ohne Schwierigkeiten durchfuhrbar. Ober weite- re Ergebnisse wird an anderer Steiie berichtet (Niepel).

Die bei der Verbrennung entstehende Schlacke wird zu ca. 30 % - 40 %, abhangig von der Brennereinstellung, an der Wand der Brennkammer niedergeschlagen. Die verbleibende Schlackefracht wird dem der Brennkammer folgenden Flussigascheabscheider (FAA) zuge- fuhrt. Zur Entfernung der im Rauchgas in flussiger Form voriiegenden Partikel wurden bisher die unterschiedlichsten Systeme erprobt, angefangen mit Mehrfachzyklonen, dann Umlen- kabscheider, Prallplattenabscheider bis hin zu Schuttschichtabscheidern in unterschiedlicher Bauweise. Hierbei zeigte sich, daft Tragheitskraftabscheider, wie sie die erprobten Systeme darsteilen, zu ahnlichen Ergebnissen fiihren. Als bisher beste, well robusteste und leicht zu modifizierende Losung mit unkritischem Betriebspunkt envies sich der Schuttschich- tabscheider. Es kann gezeigt werden, daft eine degressive Verbesserung der Abscheidung durch Erhohung der Geschwindigkeit, Verringerung der Kugelgrofte sowie Vergrofterung der Schichthohe erreicht wird.

Die Messungen der Partikel nach dieser Reinigungsstufe ergeben, daft Partikel mit einem Durchmesser von > 5 pm sicher abgeschieden werden (Abbildung 2). Der Reingaspartikel- gehalt liegt derzeit reproduzierbar typisch zwischen 120 und 300 mg / m^ i.N. abhangig von Einsatzkohle, Temperatur, Druckniveau und Abscheiderparametem. Anderungen des Parti- kelgehaltes bei Temperaturvariation laftt auf eine Viskositatsabhangigkeit der Abscheidung schlieften, aber auch auf einen hoheren Feinkornanteil infolge hbherer Verbrennungs- temperaturen. Da der Partikelgehalt bei einer Temperatur von 650 - 700 °C bestimmt wird, ist zu berticksichtigen, daft zwischen Abscheideraustritt und Meftstelie Kondensationen

5 stattfinden. Hierbei schlagen sich aus der Gasphase vor allem Alkalien in Form von Sulfaten nieder, weitere Verbindungen konnen daruberhinaus nachgewiesen warden. Diese Konden- sate warden bei der Bestimmung des Reingaspartikelgehaltes mit erfalit, ihr Ante!I betragt ca. 40 - 45 % (s.a. Enders).

Eine weitgehende Abscheidung der diese Kondensatbildung bewirkenden Alkalien erfolgt bereits in der Anlage in die flussigen Schlackepartikel: Umschaltung von 01 auf Kohlebetrieb zeigt diese Getterwirkung der Schlacke (Abbildung 3). Erhohter Druck und eine VergrbBe- rung der Oberflache durch Verkleinerung der Schlackepartikel bewirken eine vermehrte Al- kalieinbindung. Eine Erhohung der Temperatur und der Verweilzeit verbessert die einerseits die Alkalieinbindung (kinetischer Effekt), bewirkt andererseits eine vermehrte Freisetzung (Erhohung des Dampfdrucks). Vorgesehen 1st u.a., die im Gasturbinentemperaturbereich (1400 - 600 °C) kondensierenden Verbindungen durch Gettermaterialien in einer eigenen Reinigungsstufe dem Rauchgas zu entziehen. Entsprechende thermodynamische Berech- nungen liegen vor (Meyer, Singheiser).

Festgehalten warden kann als Ergebnis der bisherigen Versuche:

- die Rauchgaserzeugung aus Kohle unter Druck erfolgt problemlos, Partikel > 5 pm konnen problemlos mit keramischen Schuttschichten abgeschieden war­ den, - erste Erkenntnisse zum Einflufi. von Temperatur und Druck auf den Partikelgehalt nach Rauchgasreinigung liegen vor, - von einer weitgehenden Ruckbindung von Alkaliverbindungen in die Schlacke kann aus- gegangen werden, - fur die Anforderungen einer Versuchsanlage stehen geeignete Keramiken zur Verfugung.

Die bisher erreichte Rauchgasqualitat genugt noch nicht den Anforderungen einer Gasturbi- ne. Daraus ergeben sich folgende Forschungsaufgaben

- Partikelentstehung und Abscheidung - Abbrandverhalten des Kohlekorns unter Druck in Abhangigkeit von Mineralogie, Auf- mahlung und Gehalt an verdampfbaren Komponenten - Weitgehende Vermeidung einer Entstehung von Feinstpartikeln bei der Verbrennung sowie konventionelle Moglichkeiten ihrer Abscheidung - Auswirkung, Beeinflussung und evtl. Nutzung von bei den Proze&temperaturen auf- tretenden Niedertemperatur-Plasmaeffekten in Hinblick auf Feinstkornentstehung, -abscheidung und Alkaliminderung - Optimierung der Einbindung von Alkalien in Schlacke sowie weiterfuhrende Untersu- chungen von Alkaligettermaterialien - Entwicklung von Keramiken fur in Gro&anlagen ubliche Standzeiten.

6 Versuchsanlage DKSF Dorsten

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Abbildung 1: Schematische Darstellung der DKSF-Versuchsanlage Dorsten

Tabelle 1: Analyse der Versuchskohlen Ensdorf Spitzbergen Wasser_roh 1.90 1.39 Asche-wf 6.30 7.62 HU_wf 32500 31850 Fiuchtige 34.50 40.10 Einsatzkohlen S wf 0.79 1.06 Ensdorf C wf 78.80 78.40 Spitzbergen H wf 4.98 5.43 N wf 1.75 1.66 0 wf 7.20 5.83 Cl wf 0.03 0.01

EP 1210 1140 HKP 1275 1160 FP 1285 1180

Si02 40.10 35.90 AI2O3 21.90 15.30 FeaOs 13 15.40 Ti02 0.78 0.92 CaO 7.80 11 MgO 2.20 4.10 Na20 1 3.30 KaO 2.30 1.60 SO3 8.20 10.80 P2O5 0.17 0.42

7 Abbildung 2: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Staubsammelproben nach Rauchgasreinigung

DKSF9/97: RG-Alteligehalt

Cl Kohle (SP)

fi

1

1

0 2 4 6 8 10 12 14 1

t. Natrium uKaliumj Messung No Abbildung 3: Verlauf des Alkaligehaltes im Rauchgas hinter Abscheider bei 01- imd nach Umstellung auf Kohlebetrieb

8 2 .

Themenbereich: Druckverbrennung

2.1

Dr. W. Thielen, H. Niepel, L. & C. Steinmiiller GmbH, Gummersbach

MaBnahmen zur Beeinflussung der Stickoxidbildung und Alkalienfreisetzung bei der Kohlenstaubdruckverbrennung

9 *DE012895851* STIIMMiillER DRUCKFLAMM / 17.11.1998 Forschung und Entwicklung

MaBnahmen zur Beeinflussung der Stickoxidbildung und Alkalienfreisetzung bei der Kohlenstaubdruckverbrennung

W. Thielen, H. Niepel, L.&C. Steinmuller GmbH, Gummersbach r , DE99G9518

Die Druckkohlenstaubfeuerung erschlieBt fur den Brennstoff Kohle durch Nutzung des Gas- und Dampfturbinenprozesses Kraftwerkswirkungsgrade im Bereich von 50% und mehr. Da- bei soil das unter Druck verbrannte Rauchgas nach Abscheidung alien schadlichen Be- standteile, insbesondere der Asche, die in diesem Temperaturbereich durchweg schmelz- flussig vorliegt, direkt auf die Gasturbine geleitet werden.

Mit Forderung des Bundes (seinerzeit BMFT) wurde unter Beteiligung der GHS Essen, meh- rerer Industriepartner und Energieversorger am Zechenstandort Dorsten eine Kleinpilotanla- ge mit einer thermischen Leistung von ca. 1 MW errichtet und seither betrieben. Der For- schungsschwerpunkt der L.&C. Steinmuller^GmbH richtete sich darin auf die Thematik Koh- leumwandlung Die Aktivitaten umfaBten die Bereiche Druckbrenner- und Brennkammerent- wicklung, die Brennstoffversorgung und die Rauchgasanalytik, hier insbesondere die Ent­ wicklung einer Hochtemperatur-Rauchgasentnahmeeinrichtung am Ende der heiBen Reakti- onszone.

Ziel jeder Brennergestaltung ist die vollstandige Umsetzung des Brennstoffs bei minimaler Schadstoffemission. Betriebliche Forderungen nach stabiler Verbrennung iiber einen weiten Leistungsbereich und hochste Sicherheit gegen Storungen sind dabei ebenfalls zu beruck- sichtigen. Als Werkzeuge zur Entwicklung und Versuchsbewertung stehen Strdmungsmes- sungen in isothermen Modellen, numerischer Strbmungs- und Strahlungsaustauschberech- nungsprogramme sowie im Vergleich dazu die Daten aus dem heiBen Druckbetrieb der Kleinpilotanlage Dorsten zur Verfugung. Im folgengJn werden die Ergebnisse der Brennerversuche mit dem Schwerpunkt Stickoxid- und Alkalienemission vorgestellt; abschlieBend werden die Auswirkungen verschiedener EinfluBgroBen auf die Verbrennungsfuhrung und die noch offenen Untersuchungsgebiete aufgezeigt.

Stickoxidbildung

Zur besseren Einordnung der im Versuchsbetrieb gewonnenen MeBwerte wird noch einmal kurz auf die bekannten Stickoxidbildungsmechanismen, prompte Stickoxidbildung, die Stickoxidbildung aus dem chemisch gebundenen Brennstoffstickstoff und die thermische Stickoxidbildung eingegangen. Bild 1 zeigt qualitativ die Anteile bzw. Beitrage der drei Me- chanismen an der Gesamtstickoxidbildung (hier als NO in mg/m 3i.N.).

Die prompte NO-Bildung (Kurve 4) aus dem Stickstoff und dem Sauerstoff der Luft in der radikalreichen Reaktionszone der Flamme spielt bei technischen Kohlenstaubfeuerungen erfahrungsgemaB nur eine untergeordnete Rolle.

Die Stickoxidbildung aus dem chemisch gebundenen Brennstoffstickstoff (Kurven 3) uber- wiegt zumindest bei atmospharischen Feuerungsanlagen im Bereich bis ca. 1300 °C.

Die Einflusse von Stickstoffgehalt der Kohle, KorngroBe, Luftzah! und Luft-/Brennstoffstufung sind bekannt. Mit steigendem Druck wird eine Senkung der Stickoxidbildung aus Brennstoff beobachtet. Zumindest einer der Griinde hierfur ist, daB bei steigendem Druck bedingt durch eine verstarkte H02-Bildung die Konzentration der Schlusselradikale O und OH stark ab- nimmt. 71/

10 STEINMIIIIER DRUCKFLAMM /17.11.1998 Forschung und Entwicklung

(1) NO thermisch (Gleichgewicht)

(2) NO thermisch, nach Verweilzeitt= 3 s

(3) NO aus Brennstoff- Stickstoff (qualitativ)

(4) Prompt NO (qualitativ)

Rauchgas, 5 % 02

Temperatur (°C)

Bild 1: Mechanismen der Stickoxidbildung und Wertigkeiten

Die thermisch bedinate Stickoxidbildung aus dem molekularen Stickstoff und Sauerstoff der Verbrennungsluft (Kurve 1 im Gleichgewicht und Kurve 2 nach 3 s) aus dem molekularen Stickstoff und Sauerstoff der Verbrennungsluft laftt sich durch den bekannten einfachen Zel- dovich-Mechanismus 121 beschreiben und verlangt aufgrund der stabilen Dreifachbindung des Stickstoffmolekuls hohe Aktivierungsenergien. Aufgrund der verfahrensgemali hohen Verbrennungstemperaturen in der Druckkohlenstaubfeuerung ist sie besonders zu beachten.

2000 d[N01/dt = 6x101®x.T1/zx exp(-69090/T) [Otfd [NJ

1500

i : Zeldovich MechanismUs |) 1000 'SauerstdffQtierechuB: :

1 N + Q2 <-> NO + O - z 500 -- BrehnstoffuberschuB: - -a 'N *OH<-> N6 + H

1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700

Temperatur [°C]

Bild 2: NO-Bildungsgeschwindigkeit, Rechnungen nach Bowman /3/

11 SIEIMMUIIER DRUCKFLAMM /17.11.1998 Forschung und Entwicklung

Wie Rechnungen der NO-Bildungsgeschwindigkeit nach 131 in Bild 2 zeigen, kommt diese erst im Bereich uber 1400 °C in GroRenordnungen, die bei den in technischen Feuerungen ublichen Verweilzeiten einen neiinenswerten Anteil an der Gesamtstickoxidbildung uber die- sen Weg ermoglichen.

Die bier dargestellten Rechnungen konnen beim derzeitigen Kenntnisstand nur qualitative Aussagen liefern. Auch well turbulente Temperaturspitzen in der Flamme das Konzentrati- onsniveau erheblich beeinflussen konnen, sind genaue Voraussagen fur zu erwartende Kon- zentrationen in der Druckkohlenstaubfeuerungen zur Zeit nicht moglich. Man kann aber rela- tiv sicher daraus ableiten, dad sich mit steigendem Druck die NO-Bildungsrate proportional zur Wurzel des Druckverhaitnisses erhoht und eine Erhohung des Sauerstoffpartialdruckes welter geschwindigkeitssteigemd wirkt.

Das chemische Gleichgewicht stellt sich aber auch bei hohen Temperaturen erst fur grbRere Ven/veilzeiten ein. Es ist deshalb zu erwarten, daR bei der Druckkohienstaubfeuerung insbe- sondere bei hoheren Temperaturen die Verweilzeit der Rauchgase zwischen Brenner und Turbine einen sichtbaren EinfiuR auf die Stickoxidemission haben wird.

In Verbrennungsversuchen unter Druck wurden die Einflusse der foigenden Parameter auf die Stickoxidminderung untersucht:

• Brennkammertemperatur • Systemdruck • Rauchgasverweilzeit (bedingte Variation uber Last) • Brennereinstellung (Luftzahl, Luftstufung und Drall) • Kohlesorte und Aufmahlung

Bei Betriebsdrucken, die zwischen 8 und 12 bar lagen, wurden unterschiedlich reaktive Kohlen, wie Spitzbergen, Ensdorf und Gottelbom verfeuert. FaRt man die Ergebnisse ver- schiedener Last- und Brennereinsteilungen zusammen, lassen sich die Stickoxidmessungen auch im Vergleich zu konventionellen, atmospharischen Schmelzkammem einordnen.

• Unter quasistationaren Betriebszustanden und insbesondere im unteren Temperaturbe- reich (bis 1300°C), fur den die thermische Stickoxidbildung noch nicht dominiert, laRt sich der beschriebene Mechanismus der Druckabhangigkeit, also ein Abfall mit steigendem Druck bestatigen. • Hohere Verbrennungstemperaturen, aber auch iiberlagerte Temperaturspitzen in der Flamme fuhren oberhalb 1500°C zu einem deutlichen Anstieg der Stickoxide. • Weniger deutlich lieR sich die Abhangigkeit der Stickoxidbildung von der Brennereinstel­ lung, also Luftstufung bzw. Drallzahl nachweisen. Es wurden geringere Stickoxidkonzen- trationen bei hoherem Brennerdrall registriert. Daruber hinaus wurden niedrigere Werte fur eine grobere Kornfraktion bei der Ensdorfkohle gemessen. • Der erwartete VerweilzeiteinfluR auf die Stickoxidemission konnte in einigen Versuchen gefunden werden. Aufgrund der beschrankten Einstellmoglichkeiten in der Dorstener Brennkammer, eine Verweilzeiterhohung kann praktisch nur uber eine Lastabsenkung und damit einhergehend auch eine Brennkammertemperaturabsenkung erreicht werden, ist jedoch die Aussagekraft begrenzt. Hier mussen Untersuchungen an geeigneteren Anlagen stattfinden.

Den wohl deutlichsten Einflufi auf die Stickoxidbildung zeigte in alien Versuchen die Brenn­ kammertemperatur. In dem Zielbereich uber 1500 °C verdrangt sie alle anderen Einflusse. Zum Vergleich sind in Bild 3 noch einmal gemessene Gesamtstickoxidkonzentrationen zu­ sammen mit nach 131 gerechneten Konzentrationen fur eine Verweilzeit von 3 Sekunden, die der anzusetzenden Verweilzeit in der Dorstener Anlage entspricht, sowie den entsprechen-

12 STHMMlillER DRUCKFLAMM/ 17.11.1998 Forschung und Entwicklung den Gleichgewichtskonzentrationen aufgetragen. Ein nennenswerter thermischer Stickoxi- danteil ist in den Meftwerten deutlich nachweisbar.

Ensdorf, Einstellung A, Versuchsreihe 97/2

8-10 bar * Ensdorf, Einstellung B,C,D,G, gemittelte Werte Versuchsreihe 97/2

□ Ensdorf, Einstellung A, Versuchsreihe 97/3

o Ensdorf, Einstellung B, Versuchsreihe 97/3

Ensdorf, Einstellung A, Versuchsreihe 97/7

•N02 uber therm. NO-Bildung im Gleichgew.

■N02 Ober therm. NO-Bildung nach t = 3 s

Brennkammertemperatur [°C]

Bild 3: Gemessene Gesamtstickoxidkonzentrationen und Berechnungen des thermisches NO nach 131

Alkalienkonzentrationen im Rauchgas

Die Summe der Alkalienkonzentration Natrium und Kalium fur verschiedene Umwandlungs- verfahren wie Vergasung, Wirbelschichtverbrennung und die Druckkohlenstaubfeuerung uber der ProzelM emperatur. bzw. Brennkammertemperatur sind in Bild 4 vergleichend auf­ getragen. Eingetragen sind bier auch berechnete Alkaliengehalte fur die untersuchten Ens­ dorf- und Spitzbergenkohle sowie zum Vergleich alkaliarmere" Kohlen aus Sudafrika und Australian.

100 Gleichgewicht Na+K Verbrennung Torf

1 Na, WS-Verbrennung, Torf,BK,SK

♦ K. WS-Verbrennung, Torf,BK.SK E Q. ■ Na+K. WS-Verbrennung, Torf.BK.SK & * ——Gleichgewicht Na+K Vergasung Torf ro A Na, WS-Vergasung, ostdL Braunkohle

O K, Vergasung, ostdt. Braunkohle

□ Na+K, WS-Vergasung, ostdL Braunkohle

O Na+K, WS-Vergasung, Torf

-^-Gleichgewicht Na+K Spitzbergen

-e-Gleichgewicht Na+K Ensdorf 0,01 -^Gleichgewicht Na+K Australien 400 600 800 1000 1200 1400 1600 -* —Gleichgewicht Na+K SOdafrika Temperatur [°C]

Bild 4: Alkalienkonzentrationen im Rauchgas bei verschiedenen Kohleumwandlungs- Verfahren

13 STEIlMlillER DRUCKFLAMM /17.11.1998 Forschung und Entwicklung

In Bild 5 sind MeBwerte zweier Kohlen im Vergleich zu den mit dem Programm CHEMSAGE berechneten Gleichgewichtskonzentration iiber der Brennkammertemperatur eingeordnet. Zusatzlich 1st noch eine Gleichgewichtsrechnung der Fa. Lurgi eingetragen. Man findet eirie annehmbare Obereinstimmung zwischen gemessenen und berechneten Werten, wenn zur Korrelation die Meftstellentemperatur herangezogen wird. Belastbare Alkalienkonzentrati- onsmessungen bei hoheren Temperaturen stehen jedoch noch aus.

—»Gleichgew icht Ehsdorf- Kohle, Chemsage, 11 bar, n=1,3

—— Gleichgew icht lO Spitzbergen-Kohle, z Chemsage, 11 bar, n = 1,3

—— Gleichgew icht i Spitzbergen-Kohle (Lurgi), E 10 bar, n=1,5

+ g Versuchsreihe 5/96, 3 Bisdorf-Kohle grab, Brenner D01,10 bar

g Versuchsreihe 5/96, Spitzbergen-Kohle, Brenner D01,10 bar

Temperaturan AlkalienmeBstreckefC]

Bild 5: Alkalienkonzentrationen in der 1 MWm-Versuchsanlage )

AIs Zusammenfassung der vorgesteilten Ergebnisse kann die folgende EinfluBmatrix dienen. Sie definiert durch Fragezeichen auch die noch offenen Fragen.

EinfluBgroBe Wirkungs- Stickoxid ­ Flussigasche- Alkaliengehalt grad bildung abscheidung im Rauchgas

Hohere Verbrennungstemperatur + + - + Flammenubertemperaturen 0 + 0 + Druck + (+/-) - - lange Verweilzeit der Rauchgase - + 0 ? Luftstufung am Brenner 0 - ? ? Grobe Kohlekornung 0 - ? ? hohe Ascheprimarabscheidung 0 0 ? ? Brennkammerwandkuhlung - + 0 + +: steigernd, senkend, 0: keine Auswirkungen Tabeile 1: Druckkohlenstaubfeuerung - Einflusse der Verbrennungsfuhrung

Der Druck wirkt auf die Stickoxidbildung gegenlaufig (Bewertung in Klammer). So laBt sich mit steigendem Systemdruck zwar die Stickoxidbildung aus dem Brennstoffstickstoff min- dern, jedoch beschleunigt dies die Bildung von thermisch bedingtem Stickoxid.

Die Vorteile einer ungekuhlten, adiabaten Brennkammer werden durch die betriebliche For- derung nach ausreichender Standzeit der Wandmaterialien kaum zu nutzen sein.

14 SI1IMMUIIER DRUCKFLAMM /17.11.1998 Forschung und Entwicklung

Unbedingt sinnvoll sind in jedem Fall PrimarmaBnahmen zu Stickoxidminderung, z. B. durch geeignete Luftstufung (Brenner), die auf eine „weiche“ Verbrennung hinzielen und soweit moglich, Flammenubertemperaturen begrenzen. Dieser Ansatz kann durch geeignete Brennstoffauswahl und -aufbereitung unterstutzt werden. Dies gilt um so mehr, als fur die Erzielung hoher Wirkungsgrade hohe Gasturbineneintrittstemperaturen und damit hohe Ver- brennungstemperaturen mit entsprechend hohen thermisch bedingten Stickoxidkonzentra- tionen einzustellen sind.

DaB hohe Stickoxidkonzentrationen bei der Druckkohlenstaubfeuerung in jedem Fall zu ver- meiden sind, zeigt die folgende Betrachtung in Bild 6. Die Kosten fur zusatzlichen Ammoni- akverbrauch bei einer selektiven katalytischen Stickoxidreduktion auf 200 mg/m 3 i.N. kbnnen durch Umrechnung auf einen fiktiven Mehrverbrauch an Kohle auch als ProzeBwirkungs- gradeinbuBe betrachtet werden. Dieser kann bis zu 4%-Punkten betragen, wenn man von einer N02-Konzentration von 3000 mg/m 3 i.N. im Rauchgas ausgeht. DaB diese Annahme nicht unrealistisch 1st, zeigen in Bild 3 die gemessenen N02-Konzentrationen bei Temperatu- ren um 1600 °C, die fur ISO Gasturbineneintrittstemperaturen von 1250 °C durchaus denk- bar sind. Gegenuber den Ammoniakverbrauchskosten sind die Verluste durch den Kataly- satordruckverlust zu vemachlassigen.

6 i ;B"AguiValente WirkungsgradeinbuBe" . 1 •S 5 A

500 1000 2000 4000 N02-Konzentration [mg/m 3] i.N. , 5% 02

Bild 6 - Wirkungsgradaquivalente KosteneinbuBe durch eine SCR-Anlage

Die Moglichkeiten einer Alkalienkonzentrationsminderung im Rauchgas durch die Verbren- nungsfuhrung sind noch zu untersuchen. Eine Beimischung von Gettermaterialien kann hier hilfreich sein, die Zusatzkosten sind jedoch zu beachten.

Literatur /1/ Aho, M. J.; Paakkinen, K. M.; Pirkonen, P. M.; Kilpinen, P.; Hupa, M.: The effect of pressure, oxygen partial pressure and temperature on the formation of N20, NO, N02 from pulverized coal, Combustion and flame 102, 387-400,1995 121 Zeldovich, J.: The oxidation of nitrogen in combustion and explosions, Acta Phyiochim., URSS, 21, 577,1946 131 Bowman, C. T.: Kinetics of Pollutant Formation and Destruction in Combustion, Prog. Energy Combust. Sci., 1975, Vol. 1, pp. 33 - 45

15 2.2

Prof. Dr.-lng. U. Renz, Lehrstuhl fur Warmeubertragung und Klimatechnik, RWTH Aachen

Experimentelle und theoretische Untersuchungen an der Druckkohlenstaubfeuerung der RWTH Aachen

16 i f *DE012895860* DE99G9517 l

Experimentelle und theoretische Untersuchungen an der DruckkoMenstaubfeuerung der RWTH Aachen

U. Renz, Lehrstuhl fur Warmeubertragung und Klimatechnik, RWTH Aachen

1. Einleitung Grandlegende Untersuchungen zur DruckkoMenstaubfeuerung (DKSF) wurden in DeutscMand im Jahr 1989 in dem Verbundprojekt "DruckkoMenstaubfeuerung /!/ mit Beteiligung von acht Industrieuntemehmen und der HochschMe begonnen. In einer VersuchsaMage in Dorsten mit einer thermischen Leistung von etwa 1 MW, Drucken bis 16 bar und Temperaturen um 1.600°C werden umfangreiche Versuche gefahren. Der Schwerpunkt der Untersuchungen in Dorsten liegt bei den fur eine Realisierung der DruckkoMenstaubfeuerung entscheidenden Fragen der konstruktiven Ausfiihrung und Wirksamkeit der Gasreinigung mit SchuttscMchtfiltem aus keramischen Werkstoffen sowie bei der Einbindung der Alkalidampfe in Gettermaterialien. Die bisher erreichten Ergebmsse sind in 121 und 131 zusammengefaBt.

Die Auslegung des Brenners und der Brennkammer fur die DruckkoMenstaubfeuerung in Hinblick auf eine vollstandige und stabile Verbrennung bei moglichst geringen Emissionen an Schadgasen und Aschepardkeln war dagegen rncht primares Ziel des Verbundvorhabens in Dorsten. Dieses Thema wird in enger Abstimmung mit den Dorstener Akdvitaten an einer Versuchsanlage der RWTH Aachen angegangen. fiber die ersten Ergebmsse und die geplanten Arbeiten, die vom BMBF /4/, vom MSWWF des Landes NEW und der RWTH Aachen gefbrdert werden, soil im folgenden berichtet werden.

2. Die DKSF-Anlage der RWTH Aachen Die Hauptkomponente der DKSF-AMage ist die Drackkammer, die in enger Zusammen- arbeit mit der Firma L.&C. Steinmuller ausgelegt und aufgebaut wurde. Die Aufstellung der Brennkammer im Druckbehalter des ehemaligen DmckwirbelscMcht-Dampferzeugers im ' Heizkraftwerk der RWTH Aachen zeigt Bild 1.

Die Brennkammer ist fiir eine thermische Leistung von 400 kW, entsprechend einem KoMenmassenstrom von etwa 50 kg/h, bei einem Druck von 12 bar und fur Temperaturen bis zu 1.700°C bei Schmelzkammerbetrieb ausgelegt. Sie ist als stehender Druckbehalter mit einem Innendurchmesser von ca. 400 mm, einem axial verfahrbaren Deckenbrenner und mit vier optischen Zugangen ausgefuhrt, siehe Bild 2.

17 Rauchgasaustritt

Kohlesilo

Brennkammer

Druckbehalter

Luftverdichter

'Aschefilter & Silo Bild 1: Aufstellungsplan der DKSF-Anlage im ehemaligen Heizkraftwerk der RWTH Aachen

I

Bild 2: Brennkammer der DKSF-Anlage

18 In einer Ebene sind vier gekiihlte Fenster fur beriihrungslose MeBtechniken zur Bestimmung von Temperaturen und Geschwindigkeiten der Gas- und der Partikelphase sowie der Gaskonzentrationen in der Hamme und im Brennemahbereich vorgesehen. Durch ein axiales Verschieben des Brenners kbnnen Flammen vollstandig vermessen werden, ohne daB aufwendige Justiervorgange notwendig sind. Dabei werden die folgenden MeBtechniken eingesetzt.

Gasgeschwindigkeit Laser-Doppler-Anemometrie (WUK) Gastemperatur Laser-Induzierte-Fluoreszenz (LTT) Gasspezies CARS (LIT) Partikel- (Tropfen-)-Geschwindigkeit Laser-Doppler-Anemometrie (WUK) Partikel- (Tropfen-)-GroBe Phasen-Doppler-Anemometrie, LDVPS (WUK) Partikel- (Tropfen-)-Temperatur Zweifarben-Pyrometrie (WUK)

Diese lokalen Messungen werden erganzt durch integrate Konzentrationsmessungen im Rauchgas (WUK). Dariiberhinaus ist geplant, bei Scbmelzkammerbetrieb mit einer optischen MeBtechnik die Dicke und Geschwindigkeit des abflieBenden Schlackefilms (LHT) zu erfassen. (WUK= Lehrstuhl fiir Warmeubertragung und Klimatechnik, LTT= Lehrstuhl fur Technische Thermodynamik, LHT= Lehr- und Forschungsgebiet Hochtemperaturthermodynamik)

3. Forschungsschwerpunkte 1 In Zusammenarbeit mit der Firma L.&C. Steinmuller, dem Lehrstuhl fiir Technische Thermodynamik und dem Lehr- und Forschungsgebiet Hochtemperaturthermodynamik werden in dieser Brennkammer Brenner-Prototypen untersucht und entwickelL Dabei interessieren die Einfliisse der Parameter Druck, Drall, Luftstufung, LuftuberschuB, Verbrennungslufttemperatur sowie Qualitat und Aufmahlung der Kohle auf den Ausbrand, die GroBenverteilungen der sich bildenden Aschepardkel und Schlacketropfen und die NOx- und Alkali-Emissionen.

Parallel zu den experimentellen Untersuchungen werden numerische Verfahren zur Brenner- und Brennkammerauslegung und zur Optimierung der Betriebsparameter im spateren Betrieb weiterentwickelt. Obwohl Stromungsrechenverfahren seit einigen Jahren zunehmend bei der Auslegung und der Optimierung von industrielten Feuemngen eingesetzt werden, sind vor deren Anwendung bei Dmckkohlenstaubfeuemngen noch wichtige physikalische Teilmodelle durch eine Validiemng an MeBwerten aus Dmckkohlenstaubfeuemngen zu uberpriifen und zu verbessem. Zu nennen sind Untermodelle der Pyrolyse, der Verbrennung, der Warme­ ubertragung durch Gas- und Partikelstrahlung, der Partikel/Gas-Wechselwirkung sowie der

19 ScMackefilmbildung, die die Drackverbrennung mit schmelzfliissiger Asche entscheidend beeinflussen.

Die Weiterentwicklung der Rechenverfahren fur DrackkoMenstaubfeuerungen wird im Rahmen des DruckFlamm-Programms des BMBF in einer engen Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl fur Energieanlagentechnik (LEAT) der Ruhr-Universitat Bochum und dem Institut fur Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen (TVD) der Universitat Stuttgart betrieben. fiber erste Vergleiche der numerischen Ergebnisse fur die DKSF-Brennkammer der RWTH Aachen bei einen vorgegebenen Satz von Betriebsparametem wird im Beitrag "Stefan Murza et al.: Kooperation bei der Simulation eines Dmckkohlenstaubreaktors mit unterschiedlichen Simulationsprogrammen" berichtet. Hier sollen nur beispielhaft drei Ergebnisse gezeigt werden.

Im Bild 3 sind Berechnungsergebnisse fur die brennemahen Geschwindigkeits- und Temperaturfelder von zwei Brennervarianten mit dem Rechenverfahren FLUENT in seiner Standardversion gegenubergestellL Hierzu wurden lediglich die Pyrolyse- und Verbrennungs- modelle fur die geplante Einsatzkohle Ensdorf angepafit. Diese Berechnungen wurden in der Planungsphase des Projekts zur Auslegung des Brenners und der Brennkammer fur die DKSF- Anlage Aachen durchgefuhrL

Bild 3: Numerisch berechnete Geschwindigkeitsfelder (oben) und Temperaturfelder (unten) von zwei Drallbrennervarianten

20 Man erkennt, daB beim Brenner 1 mit seinem konischen Diffusor bei einer Drallzahl von 0,7 die Stromung auseinandergerissen wird und sich eine starkes inneres Ruckstromgebiet ausbildeL Die Verbrennungszone ist gegen die Wand gerichtet und wird moglicherweise zu Schaden an den Feuerraumwanden fuhren. Bei der Muffel des Brenner 2 schlieBt sich an den Diffusor ein zylindrisches Muffelstiick an, das das AufreiBen der Hamme verhindert. Trotz der hoheren Drallzahl von 0,9 ergeben sich langgezogene Hammen und damit eine geiingere thermische Belastung der Wande.

Als weiteres Beispiel ist im Bild 4 das Ergebnis einer Schlackfilmberechnung fur eine Feuerraum-Temperatur von 1300°C fur Ensdorfkohle mit einem Aschegehalt von 8% gezeigt.

6,0 mm

5,4 mm

4,8 mm

4,2 mm ■8

3,6 mm

3,0 mm I 1 CZD 2,4 mm

1,8 mm

15 mm

0,6 mm

0,0 mm T = 5,6 h T= 19 h T = 33 h

Bild 4: Numerisch berechnete zeitliche Entwicklung des Schlackefilms an der Brennkammerwand

Fiir die Auslegung der nachgeschalteten Fliissigascheabscheider ist es wichtig zu wissen, wieviel schmelzflussige Asche bereits an den Wanden der Brennkammer abgeschieden wird. Ein Voraussage dieser primaren Ascheabscheidung erfordert die Entwicklung von neuen Untermodellen, die auBer der Aufheizung, der Pyrolyse und Verbrennung der Partikel auch das Aufschmelzen der Aschepartikel auf ihrem Weg zur Wand sowie das Verhalten der

21 schmelzflussigen Asche an der Wand beschreiben. Die ina Bild4 gezeigten ersten Rechenergebnisse machen deudich, daB die Partikel zunachst im oberen Brennkammerbereich einen Schlackefilm bilden, der sich erst nach einer Betriebszeit von etwa 30 Stunden zu einem stationar abflieBenden Film entwickelt.

Das dritte Beispiel, Bild 5, zeigt rechnerische Voraussagen der Warmestromdichte an der Brennkammerwand fur die Randbedingungen der Versuchsbrennkammer der IFRF in Umuiden mit einem weiterentwickelten Strahlungsmodell /6/, bei dem die Diskrete-Transfer-Methode und die Diskrete-Ordinaten-Methode so kombiniert warden, daB die spektralen Strahlungs- eigenschaften der Rauchgase und die Partikelstrahlung mit hoher Genauigkeit beriicksichtigt werden konnen.

30 i—i—i—r i—i—i—r i—i—i—r 1—i—i—r -i—i—i—r 1—i—i—r kW/m2

Gestimter Wandwarmestrom Qw[kW] ---- Mit Partikelstrahlung (TP *T G) Fall 1 Fall 1 667 ---Mit Partikelstrahlung (TP =TG) Fall 2 Fall 2 754 Nur Gasstrahlung Fall 3 Fall 3 525 J I I L -1 I 1 L -1 I 1 L 1 I I L 1 I I L l I I l 1 4 5 m Brennkammerlange

Bild 5: EinfluB der Partikelstrahlung auf die Warmestromdichte an der Brennkammerwand

Der Vergleich der Voraussagen zeigt, daB die Partikelstrahlung auch noch bei groBeren Feuerraumlangen beriicksichtigt werden muB. Der EinfluB der durch die Verbrennung gegeniiber dem umgebenden Gas unterschiedlichen Partikeltemperatur verschwindet dagegen. Dieses Strahlungsmodell muB zur Beriicksichtigung hoherer Verbrennungsdriicke erweitert werden.

22 4. Erste Versuchsergebnisse der DKSF Im November 1998 konnte die DKSF-Anlage der RWTH Aachen zum erstenmal unter Druck in Betrieb genommen werden. Im folgenden sind aus dieser Betriebsfahrt gewonnene erste Ergebnisse zusammengestellt.

In einer Mefiebene 155 mm unterhalb des Brennermundes warden Axial- and Tangentialgeschwindigkeiten sowie deren SchwankungsgroBen mit der Laser-Doppler- Anemometrie aufgenommen. Das erste Bild, Bild 6, gibt ein Ergebnis wieder, das wabrend der Aufheizphase der Anlage bei Olbetrieb aufgenommen wurde.

155 mm

Axialgeschwina'igkeit Messung vom 06.11.98

MeBposition Bild 6: Radiale Profile der Axialgeschwindigkeit und deren Schwankung bei Olbetrieb iind einem Brennkammerdruck von 1 bar

In den Bildem 7 a und 7 b sind entsprechende MeBergebnisse bei Kohlebetrieb and einem Brennkammerdruck von 3,2 bar dargestellt.

23 155 mm

Axialgeschwindigkeit

T angentialgeschwindigkeit 155 mm

Messunq vom 07.11.98

MeGposition

Bild 7: Radiale Profile der Axial- und Tangentialgeschwindigkeit und deren Schwankung bei Kohlebetrieb und einem Brennkammerdruck von 3,2 bar

24 Es muB darauf hingewiesen werden, daB es sich bier um erste Messungen handelt, die noch keiner statistischen Analyse standhalten. Die Qualitat und Zahl der auswertbaren LDA-Signale waren noch zu gering. Aufgrand einer zunehmenden Verschmutzung der Brennkammerfenster muBten diese Messungen vorzeitig abgebrochen werden. Bin verbesserte Fensterkonstruktion mil der Moglichkeit' die Fenster wahrend des Betriebs zu reinigen, ist in Arbeit.

AbschlieBend sind im Bild 8 erste Messungen zum EinfluB des Drucks auf die NO%- Emissionen, gemessen im Rauchgaskanal, zusammengestellt.

1000 1------r Steinkohle; Braunkohle: mg/mN3 • 4 bar A 1 bar 800 - ■ 2 bar ▲ 1 bar Aa A^A ■U 600 h

i 400 - 4T • • d z 200 -

(bez. auf 7 % Oa) Messung vom 09.11.98 ____ i_____ .____ 700 800 900 1000 1100 o c 1200 Brennkammer-T emperatur

Bild 8: NOx-Emissionen in Abhangigkeit vom Verbrennungsdruck und von der B rennkammer-Temp eratur

Diese Messungen zeigen die erwartete Tendenz einer mit der Brennkammertemperatur ansteigenden NOx-Emission. Eine Druckerhohung veningert dagegen die Emissionen. Vergleichsmessungen mit rheinischer Braunkohle bei atmospharischem Verbrennungsdruck ergaben deutlich niedrigere Werte. Aufgrand einer Anlagenstorang konnten bei dieser Betriebsfahrt keine Untersuchungen mit Braunkohle bei Drackbetrieb durchgefuhrt werden.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daB die DKSF-Anlage ihren ersten Drackbetrieb erfolgreich demonstriert hat. In einer nachsten MeBkampagne im Friihjahr 1999 sind bei Verbrennungsdriicken von etwa lObar ein ausfuhrlicheres MeBprogramm und der Einsatz weiterer MeBverfahren geplant.

25 5. Literatur

HI NN.: BMFT-Verbundprojekt 'Entwicklung eines GuD-Kraftwerkes mit Druckkohlen- staubfeuerang', 1989.

/2 / Hannes, K.: Entwicklungsprogramm Drackkohlenstaubfeuerang, VDI-GET Tagung Siegen, 10./12. Sept. 1996, VDI Berichte 1280: Entwicklungslinien der Energie- und Kraftwerkstechnik, 177/201

13 / Hannes, K.: Pilot Plant Test Results of Pressurized Pulverized Coal Combustion, Hot Gas Cleaning '97, Zaragoza, 22724. Oct. 1997

/4 / BMBF-Forschungsvorhaben "Druckkohlenstaubfeuemng, Versuchsanlage Aachen Forderkennzeichen 0326842

15 / MSWWF-Forschungsvorhaben "Schlackefilmbildung bei der Druckkohlenstaubver- brennung", Forderkennzeichen IVA4-20600397

/6 / Kiihlert, K., Renz, U.: A Comprehensive Radiation Model for Numerical Simulations of Pulverised Coal Flames; Proceedings of The 11th International Heat Transfer Conference, Kyongju, Korea, 1998, August 23-28, Vol. 7,307/312

26 2.3

Stefan Murza (Vortragender), Markus Mohr, LEAT, Ruhr-Uni Bochum, Stefan Richter, Jochen Strohle, IVD, Universitat Stuttgart, Marcus Hecken, Ayhan Ayar, WUK, RWTH Aachen

Kooperation bei der Simulation eines Druckkohlenstaubreaktors mit unterschiedlichen Simulationsprogrammen

27 DE99G9516 Kooperation bei der Simulation eines Druckkohlenstaubreaktors mit unterschiedlichen Simulationsprogrammen

Ayhan Ayar, Marcus Hecken (WOK, RWTH Aachen) Markus Mohr, Stefan Murza (LEAT, Ruhr-Uni Bochum) Stefan Richter, Jochen Strdhle (IVD, Uni Stuttgart) .

Zusammenfassunq: — Es werden die Ergebnisse der Zusammenarbeit der drei beteiligten Institute - Lehr- stuhl fur Warmeubertragung und Klimatechnik (WOK) der RWTH Aachen, Lehrstuhl fur Energieanlagentechnik (LEAT) der Ruhr-Uni Bochum und Institut fur Verfahrens- technik und Dampfkesselwesen (IVD) der Uni Stuttgart - bei der Modellierung einer Benchmarkflamme des Druckkohlenstaubreaktors am Lehrstuhl fur Warmeubertra­ gung und Klimatechnik dargestellt. Diese Bedingungen fur diese Benchmarkflamme sind einem realem, bis data noch nicht experimentell untersuchten Feuerungszu- stand nachempfunden. Der Beitrag beinhaltet den Vergleich der mit drei unterschied­ lichen Simulationsprogrammen erzielten Ergebnisse und gibt einen Ausblick auf die notwendigen Weiterentwicklungen der Programme hinsichtlich der Modellierung druckkohlenstaubgefeuerter Anlagen.

Kooperation: Die Komplexitat der mathematischen Beschreibungen zur Simulation technischer Feuerungssysteme macht eine Zusammenarbeit der beteiligten Forschungsinstitutio- nen sinnvoll. Bei der mathematischen Modellierung der Druckkohlenstaubverbren- nung, im Rahmen des Forschungsprojektes Druckflamm, haben der Lehrstuhl fur Warmeubertragung und Klimatechnik (WUK, Prof. Renz, RWTH Aachen), der Lehr­ stuhl fur Energieanlagentechnik (LEAT, Prof. Kremer, Ruhr-Universitat Bochum) und das Institut fur Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen (IVD, Prof. Hein, Univer- sitat Stuttgart) zusammengearbeitet, urn neue Erkenntnisse uber den druckgefeuer- ten VerbrennungsprozeB auf dem Wege der Simulation zu gewinnen. Da die drei beteiligten Institute mit unterschiedlichen Simulationsprogrammen arbeiten - in Aa­ chen wird das kommerzielle Programm FLUENT verwendet, in Bochum das dort enWckelte Programm LORA und in Stuttgart das ebenfalls selbst entwickelte Pro ­ gramm AIOLOS - sollen zunachst durch die Simulation einer Benchmarkflamme die

28 Moglichkeiten demonstriert werden, die diese Programme bieten. Fur diese gemein- same Simulation wurde die Druckkohlenstaubfeuerung (DKSF) des Lehrstuhls fur Warmeubertragung und Klimatechnik der RWTH Aachen ausgewahlt. Der stro- mungstechnisch modellierte Bereich umfaBt den eigentlichen Brennraum der Anlage, das heiBt den Bereich zwischen Luft- und Brennstoffeintritt im Brenner und Abtropf- ring am unteren Ende der Brennkammer. Der modellierte Testfall entspricht einer Fahrweise bei einem Betriebsdruck von 10 bar und einer thermischen Leistung von 400 kW. Die Wandtemperatur wurde mit 1650 K festgelegt. Die Verbrennung der ausgewahlten Kohle Ensdorf erfolgt bei einer Luftzahl von X = 2 (siehe Abb. 1).

verfahrbares Brennerrohr

wi he

BreruierfQhrung

::

etektrlsche Heizung Brennerstein FeuerfestausWetdung optische MeBfenster Flamme

Rauchgas5ffhung zurHelBgasflltration AJbtropfrmg Dusenstocke

Granutierbad Rauchgasaustritt

Abbildung 1: Druckkohlenstaubfeuerung (DKSF)

Bei der Modellierung druckaufgeladener Verbrennungsprozesse werden besonders hohe Anforderungen an die Simulationswerkzeuge gestellt, da sich die Dimensionen der Brenner im Vergleich zu den Verbrennungsraumen urn GroBenordnungen unter- scheiden. So muB das numerische Berechnungsgitter nicht nur den Brennemahbe-

29 reich im MillimetermaRstab abbilden (siehe Abb. 2), sondem auch die gesamte Anla- ge mit einer Lange von uber2 Metem (siehe Abb. 1) berucksichtigen.

Abbildung 2: Drallbrenner in der DKSF

Um diese Auflosung realisieren zu konnen, verwenden die Programme zum Teii un- terschiedliche Diskretisierungsansatze. Abb. 3 zeigt die mit den 3 Programmen be- rechneten Geschwindigkeitsverteilungen, sowie einen Ausschnitt der Berechnungs- gitter im Brennernahbereich. In den folgenden drei Abbildungen (Abb. 3, 4 und 5) sind jeweils die linken Ergebnisse mit dem Programm FLUENT berechnet, die mittle- ren mit LORA und die rechten mit AIOLOS.

FLUENT LORA AIOLOS

Abbildung 3: Geschwindigkeiten und Berechnungsgitter im Brennernahbereich

Die konturangepaRte Gitterdarstellung (FLUENT) ermoglicht eine gute Approximation im Bereich der Brennermuffel. Die Berechnungen sind zweidimensional axialsyme- trisch durchgefuhrt worden, so daR eine hohe Auflosung erzielt wird. Mit dem Pro ­ gramm LORA (mittleres Bild) ist es moglich das Gitter lokal zu verfeinem, so daR Teilgebiete dort hoch aufgelost warden konnen, wo es notwendig ist Da die Berech-

30 nungen mit diesem Rrogramm 3-dimensional durchgefuhrt warden, ist im weiteren Verlauf aus Grunden der Rechenzeit ein groberes Gitter generiert worden. Mit dem Programm AIOLOS (rechtes Bild) erfolgte eine zylindersymetrische Berechnung des Problemfalls. Dieses Programm verfugt uber mehrere Diskretisierungsmoglichkeiten des Berechnungsgitters, wie im weiteren Verlauf gezeigt wird. Das berechnete Stro- mungsfeld zeigt - wenn man einmal von der unterschiedlichen Gitterauflosung ab- sieht - eine hohe Ahnlichkeit. Alle Programme berechnen eine interne Rezirkula- tionszone, die etwa 5 cm stromab der Brennermuffei beginnt.

0.1 -

i •:.i ■ - I 500 600 700 eoo 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 £220 2300 Abbildung 4: Temperaturverlauf im Brennemahbereich

Da zum Zeitpunkt der Modellierung noch keine detaillierten MeBergebnisse vorlagen, wurde der kinetische Parametersatz einer hochreaktiven Kohle ausgewahlt. Abb. 4 zeigt den Temperaturverlauf im Brennemahbereich auf den ersten 70 cm der Brenn- kammer. Die berechneten Maximaltemperaturen dieser Druckkohlenstaubfiamme befinden sich auf der Brennerachse und liegen zwischen 2500 K (FLUENT) und 2200 K (LORA und AIOLOS). Die mit FLUENT berechneten Temperaturspitzen, lie­ gen ca. 10 cm unterhalb der Brennermuffei, wahrend die mit LORA und AIOLOS be­ rechneten Maximaltemperaturen sich bis in die Brennermuffei hineinziehen. Insge- samt werden mit alien 3 Programmen Flammen mit in etwa gleicher achsialer Aus- dehnung berechnet. Da Primar- , Sekundar- und Tertiarluft unvorgewarmt mit Umge- bungstemperatur in die Brennkammer eingeblasen werden, ist die Flamme von ei- nem kalten Bereich umgeben.

31 Wie in Abbildung 5 zu sehen ist, steht der Verbrennung aufgrund des hohen Luftuberschusses (X = 2) ausreichend Sauerstoff zur Verfugung. Die niedrigsten Sauerstoffkonzentrationen von nahezu Null zeigen sich bei alien drei Programmen einheitlich im Bereich der Brennermuffei. Deutlich zu sehen sind die Strahnen der sauerstoffreichen Sekundar- und Tertiarluft.

ar h-• 'ill t > i t ri .i i ooo acz 0lO4 aoe aoa aio c.12 ai4 aie 0.18 02s Abbildung 5: Sauerstoffkonzentration im Brennernahbereich

32 Abb. 6 zeigt die mit FLUENT berechneten Pyrolyse- und Koksabbrandraten in der Brennkammer. Es fallt auf, daB die Hauptpyroiysegebiete in der Brennermuffel zu finden sind. Aufgrund des hier verwendeten kinetischen Parametersatzes der Kohle zeigt sich eine erwartungsgemaB schnelie Pyrolyse, welche bereits nach kurzester Zeit abgeschlossen ist. Bei der Darsteilung der Koksabbrandrate sind zwei Bereiche mit Maximalwerten zu erkennen. Dieses ist zum einem ein achsennaher Bereich, wo auch die Hochsttemperaturen berechnet werden. Hier brennen vor allem sehr kleine Partikel ab. Die hochsten Abbrandraten werden durch die groBen Partikel (100 pm) weiter stromab verursacht. In etwa 10 cm von der Brennerachse befinden sich diese Bereiche dort, wo die Partikel in sauerstoffreiche Zonen mit ausreichend hohen Temperaturen eintreten. Der groBte Teil des Koksabbrandes ist nach etwa 60 cm stromab abgeschlossen.

PYROLYSERATE KOKSABBRANDRATE

Abbildung 6: Berechnete Pyrolyse- und Koksabbrandrate (FLUENT)

In Abb. 7 sind die mit LORA berechneten Partikeltrajektorien, sowie die Partikeltem- peratur in einem Axial - und in einem Radialschnitt abgebildet. Die Darsteilung der berechneten Partikelbahn endet hier mit fast vollstandigem Koksabbrand. Mit LORA wird, mit sehr guter Obereinstimmung mit dem Programm FLUENT, der Koksabbrand nach 50 bis 60 cm als abgeschlossen berechnet. Vergleicht man die berechneten Partikeltemperaturen mit den in Abbildung 4 dargestellten Gastemperaturen, so zeigt

33 sich eine Clbertemperatur von 400 K in der Spitze. Die hochsten Obertemperaturen sind in einem Abstand von 30 cm vom Brenner stromab anzutreffen. Mit Blick auf den Radialschnitt (Bild rechts) zeigt sich, daB die Partikel sehr schnell dem durch die Sekundarluft der Stromung aufgepragten Drall folgen. Aufgrund der Zentrifugalkraft werden groBe Partikel starker als kleine nach auBen getragen. Dieses ist sowohl bei den Temperaturen, hier dargestellt, als auch bei dem Vergleich der Koksabbrandra- ten in Abbildung 6 zu erkennen. Auf den ersten Blick sieht es so aus, als ob die gro- Ben Partikel welter nach auBen driften und dort schneller abbrennen. Es ist jedoch zu berucksichtigen, daB im auBeren Bereich eine niedrige Stromungsgeschwindigkeit vorherrscht und somit die Partikel auch eine langere Zeit verweilen. 0.1 0.2 Tempemtur [K] J 2700

0.1

i 700

0.3 r-

0.4

0.2 -

0.5

06

Abbildung 7: berechnete Partikeltrajektorien und -temperaturen (LORA)

In Abbildung 8 zeigt sich eine Gegenuberstellung der mit AIOLOS mdglichen kontur- angepaBten und kartesischen Gitter. Es sind fur beide Gittervarianten ein Vergleich der Geschwindigkeit und der Temperatur dargestellt. Beim Blick auf das numerische Gitter zeigt sich, daB die Brennermuffel durch die Konturanpassung mit einer deutlich groberen Gitterauflosung modelliert werden kann. Die Geschwindigkeiten zeigen nur minimale Unterschiede. Betrag und Richtung der Geschwindigkeit, sowie die Lage der intemen Rezirkulationszone sind nahezu identisch. Unterschiede zeigen sich

34 beim berechneten Temperaturfeld (rechts im Bild). Fur das konturangepaBte Gitter wind das Temperaturmaximum waiter stromab berechnet im Gegensatz zur kartesi- schen Variante, die eine Temperaturspitze in der Brennermuffe! aufweist. Der be- rechnete Verlauf zeigt eine Obereinstimmung mit dem in Abbildung 4 dargestellten berechneten Temperaturfeld des ebenfalis mit einem konturangepaBten Gitter be­ rechneten Simulationsfalls (FLUENT).

Mi = : • i ! h || - . | ■ #rri—j---- - s|pf' . f { \ } > i 7 i i • - i a . j 4-^T : , I ' 1 ■''(1 i ! 1 •• i i.' * i, » 1•' : ! , ' 1 ' 1 ! ! if -i f : 11i11!:III; 1^ Mlil'l'i;! '4 U numerisches Gitter Geschwindigkeit Temperatur Abbildung 8: Vergleich konturangepaBte und zylindrische Koordinaten (AIOLOS)

Die weitere, geplante Zusammenarbeit gliedert sich in zwei Schwerpunkte. Zum ei- nen mussen die vergleichenden Rechnungen der Benchmarkflamme fortgesetzt und waiter ausgewertet warden, urn in Zukunft die Qualitat der Simulation zu stutzen. Dies bedeutet einen weiteren Abgleich der mathematischen Modeile und deren Pa­ rameter mit Blick auf simulierte Stromung und Reaktion. Auf der anderen Seite sind als Ausblick fur die weitere Kooperation folgende Weiter- entwicklungen geplant, urn die Gesamtsimulation der DKSF zu verfeinem. Diese sind in Aufgabenbereiche untergliedert, die von den drei beteiligten Instituten als Schwer- punkt untersucht werden. Bin Hauptaugenmerk wird in der Verbesserung und Im- plementierung erweiterter Modeile liegen, welche die Simulation von Schlacketropfen und des Schlackefilms an den Brennkammerwanden ermoglichen. Der Vorgang der Pyrolyse und des Koksabbrands unter Druck als Weiterentwicklung im Vergleich zur atmospharischen Beschreibung der Reaktionsmechanismen muB einen Schwerpunkt bilden. Der EinfluB von Effekten der Partikelinteraktion auf die Verbrennungsreaktion selbst soil erforscht und beschrieben werden, sowie die Schadstoffbildung und die Freisetzung und Einbindung von Alkaliverbindungen.

35 2.4

Georg Hacked (Vortragender), Siegmar Whiz, Hans Kremer, LEAT, Ruhr-Uni Bochum

Untersuchungen zur Kohleziindung am Flachflammenbrenner unter Verwendung optischer MeBtechnik

36 DE99G9515

Untersuchungen zur Kohlezundung am Flachflammenbrenner unter Verwendung optischer MeBtechnik

Dipl.-lng. Georg Hackert, Prof. Dr. Hans Kremer, Dr. Siegmar Wirtz; Lehrstuhl fur Energieanlagentechnik (LEAT), Ruhr-Universitat Bochum

1 Einleitung Am Lehrstuhl fur Energieanlagentechnik (LEAT) ist im Rahmen der DRUCKFLAMM- Aktivitaten ein atmospharischer Flachflammenbrenner (FFB) mit Kohleinjektor ent- wickelt und in Betrieb genommen worden, an dem homogene und heterogene Ver- brennungsprozesse sowie die Pyrolysephase der Kohleumsetzung mit optischen MeB- systemen beobachtet werden kbnnen. Herkommliche optische Verfahren im Bereich der Partikelverbrennung beschranken sich meist auf die Messung von Partikelwolken /1/, die Vermessung groBer Partikel («1 mm) 17, 8/ Oder auf die Messung von Wand- temperaturen 121. Zur Visualisierung einzelner Kohlepartikel wurde vom LEAT im Rah­ men von Untersuchungen zu Entgasungs- und Verbrennungsvorgangen von Kohle- partikeln eine neue optische MeBtechnik (TOSCA) entwickelt. Mit diesem System ist es moglich, Geschwindigkeiten, GroBen und Formen sowie erstmals auch Oberfla- chentemperaturen individueller Partikel quantitativ zu ermitteln /3,4,5, 6/. Diese experimentellen Daten flieBen in die Erweiterung und Verbesserung eines kine- tisch kontrollierten Simulationsmodells ein, welches die gleichzeitigen Pyrolyse- und Verbrennungsvorgange von Kohle unter Druck berucksichtigt. Dabei wird der Brenn- stoff Kohle in der Reaktionsumgebung nicht aks Kontinuum angenommen, sondern in einer Euler-Lagrange Betrachtung als diskrete Zweiphasenstromung (Parti- kel/Reaktionsgas) simuliert. Mit dieser neuartigen Technik steht ein Instrumentarium zur detaillierten Untersuchung der Vorgange in Kohlenstaubflammen am brennenden Kohlekorn, die den Umsatz und die Schadstoff-Freisetzung maBgeblich bestimmen, zur Verfiigung.

2 Flachflammenbrenner Die Versuchsapparatur des Flachflammenbrenners (FFB) ist in Abbildung 1 darge- stellt. Dieser vom LEAT entwickelte Vormischbrenner mit extrem kurzer Flammenfront eignet sich hervorragend zur Aufheizung und Zundung von Kohlepartiklen, da er ein sehr stabiles, in radialer Richtung konstantes Temperaturprofil liefert, so daB fur die Partikelaufheizung konstante, definierte Bedingungen vorliegen. Uber eine Bohrung in der Mitte der aus Sintermetall bestehenden Brennerplatte werden Kohlepartikel in den heiBen Brennraum injiziert. Zur Verbesserung der Stromungsbedingungen trennt dabei ein Quarzglasrohr den Abgasstrom von der Umgebung. Dabei laBt das Rohr eine Be- obachtung der Kohlepartikel von Beginn ihrer Aufheizung bis zum Koksausbrand zu.

37 Absaugung

MassendurchfluBmesser Kohledosierung

Abbildung 1: Flachflammenbrenner (FFB) mit Kohleinjektor

3 Hochaufldsendes SchnellverschluB-Kamerasystem TOSCA Zur Analyse der Brennstoffumsetzung am Kohlekorn selbst sollte eine optische MeB- methode zum Einsatz kommen, die es ermoglicht, den Zustand einzelner Kohlepartikel wahrend der unterschiedlichen Phasen der Verbrennung sichtbar zu machen. Die MelBtechnik war dazu so auszulegen, dafB sie Informationen uber Partikelkontur, Parti- kelgeschwindigkeit, ihre GroBenverteilung und ihre Oberflachentemperatur liefert. Zu diesem Zweck hat der Lehrstuhl fur Energieanlagentechnik das neue MeBsystem TOSCA (Temperature Measurement with Electro Optical High Speed Cameras) ent- wickelt /4/. Die einzelnen Komponenten des Systems, die in Abbildung 2 neben einem Viewport des Hochtemperatur-Hochdruck-Fallrohrreaktors (KOALA) der DMT, Essen, darge- stellt sind, lassen sich wie folgt spezifizieren: Das Telemikroskop selbst ist handelt es sich urn ein lichtempfindliches Spiegeltelemikroskop, das nach dem MAKSUTOW-Prinzip arbeitet. Durch seine spezielle Bauweise wird eine hohe VergroBerung bei gleichzeitig geringer BaugroBe praktisch ohne Verzeichnung erreicht. Die Auflosung des Objektivs kann durch den Einsatz von Zusatzlinsen variiert werden, so daB sich bei einer MeBdi- stanz von 550 mm eine maximale Auflosung in Verbindung mit den CCD-Kameras von 2,7 pm/Pixel ergibt. Urn eine hohe Bildqualitat und Lichtausbeute bei der Aufzeichnung der Partikel zu gewahrleisten, werden bildverstarkte CCD-Kameras mit 12-bit-Technik eingesetzt. Die Kamerasteuerung von der Firma LaVision, Gottingen, zeichnet sich durch auBerst kurze Belichtungszeiten im Bereich von Nanosekunden aus, so daB bewegte Partikel in dem kleinen Bildausschnitt (2x4 mm) auch ohne Zusatzbeleuch- tung scharf abgebildet werden konnen.

38 Heizelement

Kohle

Kontroll- und Auswerte- Computer

Abbildung 2: Prinzipieller Aufbau des TOSCA-Systems am KOALA- Viewport

3.1 GroBen- und Geschwindigkeitsmessung Die GroBenmessung von Kohlepartikeln wahrend der Umsetzung im KOALA-Reaktor soil AufschluB uber Blahverhalten Oder Platzen sowie den zeitlich aufgelosten Abbrand der Partikel liefern. Durch die Analyse der Partikelform lassen sich Aussagen uber den Aggregatzustand (fest-flussig) der Kohle zum Zeitpunkt der Beobachtung treffen. Weiterhin kann in der Phase der Pyrolyse die Form der Pyrolyseflamme und ihr EinfluB auf die Kohlekornzundung und -verbrennung analysiert werden. Im Flachflammenbrenner kann zusatzlich die Pyrolyseflamme, die Verweilzeit bis zur Zundung und bis zur Beendigung der Pyrolyse bestimmt werden. Das Blahverhalten verschiedener Kohlen und Kohlefraktionen wahrend der Umsetzung laBt sich ebenfalls beobachten und analysieren. Urn eine quantitative Ermittlung von GroBe und Geschwindigkeit der Partikel zu er- moglichen, wurde die Systemaufldsung in pm/Pixel zuvor an einem geatzten Gitter mit bekanntem Gitterabstand kalibriert. Die GroBenaufnahmen liefern Rohdaten, die mit Hilfe eigens entwickelter Auswertealgorithmen gefiltert werden, urn so Durchmesser und Form identifizieren zu kdnnen. Die GroBenverteilungen nach unterschiediichen Verweilzeiten liefern Informationen uber das Blahverhalten der Kohle abhangig von Aufheizgeschwindigkeit und Fraktion der Einsatzkohie. Dabei werden die Mittelwerte der GroBenverteilungen in unterschiediichen Entfernungen vom Injektionspunkt uber der Verweilzeit aufgetragen. Abbildung 3 zeigt eine solche Schwellkurve fur Ensdorf- kohle in einer Siebfraktion von 50 pm - 63 pm bei einer Gastemperatur von 1400°C und einer Luftzahl der Methanflamme von X = 1,15.

39 85

Ensdorfkohle: mittlerer Durchmesser

r—1 70

Hohe [mm]

Abbildung 3: Blahverhalten von Ensdorfkohle (0 = 50 pm - 63 pm, Tgas = 1400 °C, Luft- zahl= 1,15)

Die Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit wird durch Mehrfachbelichtung der Ka- meras mit bekanntem zeitlichen Abstand zwischen der ersten und zweiten Belichtung erreicht. Die wie fur die GroBenevaluation gefilterten doppeltbelichteten Bilder werden nach einem spezieilen Particle-Tracking-Velocimetry-Algorithmus (PTV) analysiert und ausgewertet. Da die Richtung der Geschwindigkeit in der Versuchsanlage vorgegeben ist, reicht eine zweifache Belichtung zur eindeutigen Richtungsbestimmung aus. Fur andere Anwendungen, z. B. eine Drallstromung, kann durch Dreifachbelichtung mit unterschiedlichem Zeitabstand zwischen Belichtung 1 und 2 bzw. Belichtung 2 und 3 die Flugrichtung eindeutig festgelegt werden.

3.2 Temperaturbestimmung Um auf optischem Wege die Temperatur eines Korpers bestimmen zu konnen, ist ne- ben der Erfassung der Ausstrahlung die Kenntnis des Emissionskoeffizienten s von fundamental Bedeutung. Um dies zu umgehen, bietet sich die Zweifarben- Oder Ver- haltnispyrometrie an. Bei diesem Verfahren wird die gemessene Strahlung von zwei benachbarten Spektralbereichen (X^Xa) ins Verhaltnis gesetzt und daraus die Tempe­ ratur bestimmt.

£. MS/.l 1 I(X,T) (D £>.2 M S?.l I2 Aus Gleichung 1 ist ersichtlich, daB sich bei der Messung an einem Schwarzen Korper der Emissionskoeffizient (sx=1) herauskurzt. Wird die Strahlung eines realen Korpers in zwei benachbarten Spektralbereichen unter der Annahme erfaBt, daB sich der Emissionskoeffizient in diesen Spektralbereichen nicht Oder nur geringfugig andert, es sich also um einen Grauen Korper handelt, kann der Quotient der Emissionskoeffizi ­ enten ebenfalls eliminiert werden. Eine Temperaturbestimmung nach diesem Prinzip heiBt Zweifarben- Oder Verhattnispyrometrie. Dieses Verfahren wird vom TOSCA-System zur Bestimmung der Partikeltemperaturen genutzt. Um das MeBsystem zur Temperaturbestimmung auf der Basis der Verhalt- nispyrometrie einsetzen zu konnen, muB die Strahlung der Partikel in zwei unter-

40 schiedlichen Spektralbereichen und zu exakt gleichen Zeitpunkten erfaBt warden. Da- zu wurde in den Strahlengang zur Kamera 1 ein Strahlteiler eingebracht, der die Bild- informationen sowohl in Richtung der Kamera 1 transmitter! als auch zur zweiten Ka­ mera bin reflektiert, die rechtwinklig zur optischen Achse angeordnet ist. Durch eine pm-genaue mechanische Justierung und eine exakte Synchronisation der beiden Ka- meras wird derselbe Bildausschnitt zeitgleich von beiden Systemen erfaBt. Durch das Einbringen von spektralen Filtern in die Strahlengange der zwei Kameras wird die syn- chrone Messung in zwei Spektralbereichen realisiert (Abbiidung 2). Der groBe Vorteil dieser Anordnung, im Gegensatz zu anderen Zweifarben-MeBverfahren, die mit Glas- fasersonden arbeiten 121, ist, daB hier die Temperatur der Partikel abhangig von beob- achteten Abbrandstadien des Partikels bestimmt werden kann. So lassen sich die Temperaturen der Partikeloberflache oder der Pyrolyseflamme zuordnen, desweiteren ist eine Korrelation zwischen den gemessenen Temperaturen und der PartikelgroBe, bzw. -geschwindigkeit mdglich. Urn mit dieser MeBanordnung quantitative Temperaturen bestimmen zu konnen, muB die Apparatur an einem System bekannter Temperaturen kalibriert werden. Am LEAT wurde dies an einer Wolframbandlampe, deren Temperaturen sich uber ein Farbenpy- rometer bestimmen laBt, realisiert. Das Intensitatsverhaltnis zweier gefilterter Partikel- aufnahmen aus unterschiedlichen Spektralbereichen kann somit einer genauen Tem­ peratur zugewiesen werden.

4 Ergebnisse Abbiidung 4 zeigt verschiedene Phasen der Kohlekornverbrennung, die mit Hilfe von TOSCA sichtbar werden. Phase 1 zeigt eine gerade gezundete Pyrolyseflamme. Das Partikel selbst ist nur als Schatten unterhalb der Pyrolyseflamme zu erkennen. In Pha­ se 2 beginnt sich die Flamme, durch die Gasdrift zwischen Partikel und Arbeitsgas, vom Partikel zu losen und zu zerreiBen. Phase 3 zeigt ein gezundetes Partikel mit zer- klufteter, losgeldster Pyrolysefahne; ein klares Indiz fur das Ende der Pyrolyse. In der letzten Phase sieht man das brennende Kokspartikel.

Partikel

I I

v-Partikel ft Partikel i

Phase 2: Phase 3: Phase 4: Pyrolysegaszundung, Pyrolyseende = Partikelabbrand Fahnenbildung FahnenabriB

Abbiidung 4: Vier optisch unterscheidbare Phasen der Kohlekornverbrennung

Am FFB wurden Untersuchungen zum Schwellverhalten wahrend der Brennstoffum- setzung in Abhangigkeit von der Kohleart und der KorngroBe durchgefuhrt. Abbiidung 5 zeigt das Schwellverhalten der Gasflammkohlen Spitzbergen und Ensdorf fur die Siebfraktionen 50 pm - 63 pm sowie 90 pm - 125 pm. Da die beiden Kohlen anna- hernd den gleichen Fluchtigenanteil (ca.: 30% Fluchtige) aufweisen, ist das Schwell- bzw. Blahverhalten beider Kohlen sehr ahnlich. Trotzdem laBt sich deutlich erkennen, daB die Ensdorf-Kohle starker blaht als Spitzbergen Kohle. Das Blahvermogen ist da-

41 42 Abbildung5: Abbildung zeigt bei her

groBen

Pyrolyse nicht

sich 100 %

allein 6: fur

Fraktionen.

kleine peratur: genkohle Pyrolyseverlauf 90 Volumenbezogenes, vom

-125

Kornfraktionen Fluchtigengehalt,

ca.

pm;

(Reaktor:

1300

1

=

der

1,15; °C;

FFB; Ensdorfkohle

atmospharisch; normiertes

T eine Um

Siebfraktionen: sondern Verweilzeit gebung= Verweilzeit

verhaltnismaBig

im 1400°C) GroBenverhalten

auch

FFB [ms] 1=1,15)

[ms] Kohle: 50 Kohle: Kohle: Kohle:

von (Reaktor:

-

Spitzbergen;

Spitzbergen; Ensdorf; Ensdorf; der 63 groBere

pm

Kohleart

FFB; von

und Siebfraktion Siebfraktion

Volumenzunahme

Ensdorf- Kohle: Siebfraktion Siebfraktion

— 90 •

Messung Rechnung abhangig. -

125

Ensdorf 90-125 50-69

und pm;

50-69 90-125

pm

pm

Spitzber- Gastem-

Welter pm

pm

als

Die Auswertung der Bilder nach den Phaser des Abbrandes (vgl. Abbildung 4) laBt eine Bewertung der Pyrolysegeschwindigkeit zu. Abbildung 6 zeigt eine Auswertung der Pyrolyse uber der Verweilzeit als Verglich von Messung und Rechnung. Das Ab- brandmodell des LEAT Simulationsprogramms LORA zeigt eine gute Ubereinstim- mung mit der Messung, verantwortlich dafur ist das implementierte Euler-Lagrange - Simulationsmodul, das groBenklassenabhangig den Abbrand einzelner Partikel wie- dergibt.

Fur die Kohlefraktion Ensdorf 100 - 125 pm wurde zusatzlich die Temperaturvertei- lung der Partikel bzw. der Pyrolyseflammen abhangig von der Verweilzeit gemessen. Abbildung 7 zeigt den Temperaturverlauf. Die hohen Obertemperaturen von bis zu 470 K werden in der Pyrolyseflamme erzeugt. Die Oberflachentemperatur brennender Kohlepartikel liegt mit ca. 1600 °C nur etwa 300 °C uber der Umgebungstemperatur. Ein Vergleich mit weiteren Kohletypen und -fraktionen soil in Zukunft AufschluB uber den EinfluB der Kohleeigenschaften auf die Temperaturen geben.

2000

mittlere Temperaturen

Verweilzeit [ms]

Abbildung 7: mittlere Temperaturen der Pyrolyseflammen - (Reaktor. FFB; Kohle: Ensdorf 90- 125 pm;X=1,15; TUmgebung= 1400°C)

5 Zusammenfassung Mit dem Flachflammenbrenner und dem KOALA-Reaktor der DMT stehen Ver- suchsapparaturen zur Verfugung, mit deren Hilfe die Kohleumwandlungsprozesse bei hohen Temperaturen unter Druck und unter atmospharischen Bedingungen realistisch wiedergegeben werden. Das TOSCA-System erlaubt dabei die Bestimmung von Tem­ peraturen, GroBen, Former und Geschwindigkeiten der Brennstoffpartikel. Diese Da- ten liefem die Grundlage fur die Erstellung eines dreidimensionalen Simulationsmo- dells zur Modellierung der Kohleverbrennung. In Zukunft werden weitere Parameter- studien das Verstandnis der Kohlenstaubdruckverbrennung vertiefen und eine Opti- j mierung der numerischen Modelle ermoglichen, so daB die Simulation groBtechnischer |

43 Kohlenstaubdruckverbrennungsanlagen realisiert warden kann.

Dieser Artikel basiert auf Auszugen einer im Februar 99 erscheinenden Veroffentlichung in der Zeitschnft VGB- Kraftwerkstechnik.

6 Literatur

III Christmann, W.: Temperaturmessung mit einem Quotientenpyrometer in einem HeiBgaska- nal einer Drackkohlenstaubfeuerang, Dissertation, Universitat-Gesamthochschule-Essen, 1995. Ill Joutsenoja, T.; Stenberg, J.;Hemberg, R.; Pyrometric particle temperature measurement in a pressurized fluidized bed gasification reactor. Combustion Science and Technology, Vol. 121, pp. 123-132,1996 13/ Scherello, A.: Experimentelle und theoretische Untersuchung des Einflusses von Aufheiz- geschwindigkeit und Druck auf die Umsetzung von Kohlenstaubpartikeln; Dissertation, Ruhr-Universitat Bochum, 1996. 141 Hackert G., Kremer H., Scherello A., Walter M., Wirtz S.: Simultane Erfassung der Tempe- ratur, GroBe und Geschwindigkeitvon Kohlepartikeln in einem Kohlenstaubdruckreaktor. 18. Deutsch-Niederlandischer Flammentag, Delft, VDI-Bericht 1313 (1997) S. 573 - S.578. 15/ Hackert G., Kremer H., Scherello A., Wirtz S., Bonn B., Seewald H.: Fallrohr- Untersuchungen zur Verbrennung von Kohle bei hohen Temperaturen und Driicken. 18. Deutsch-Niederlandischer Flammentag, Delft, Niederlande, VDI-Bericht 1313 (1997) S. 83 -S. 88. 161 Hackert G., Scherello A., Wirtz S., Bonn B., Seewald H.: Drop tube investigations into coal particle combustion at elevated temperatures and pressures. 9th international conference on coal science (ICCS), Essen, Germany, 1997. Ill Lowenthal, G.: Kinetik der KomgroBenanderung von Steinkohlen bei der Pyrolyse und Hydropyrolyse. Dissertation, Universitat Essen, 1984. 18/ Schwandtoer, D.: Entgasung von Steinkohlen bei Aufheizgeschwindigkeiten oberhalb von 10s grd/min. Dissertation, Technische Hochschule Aachen, 1971.

44 2.5

B. Bonn, M. Kaiser, H. Seewald, DMT-Gesellschaft fur Forschung und Prufung mbH, Geschaftsbereich FuelTec, Essen

Reaktionskinetische Untersuchungen zur Kohlenstaubverbrennung mit dem Hochdruck- Hochtemperatur-Fallrohrreaktor KOALA

45 Seite 1 *DEO 12895898* DE99G9514

Reaktionskinetische Untersuchungen zur Kohlenstaubverbrennung mit dem Hochdruck-Hochtemperatur-FaUrohrreaktor KOALA

B. Bonn, M. Kaiser, H. Seewald

DMT-Gesellschaft fur Forschung und Priifung mbH, Geschaftsbereich FuelTec

Einfiihrung

Im Rahmen des BMBF Verbundprojekts “Druckflamm” wurde von der DMT der Hochdruck- Hochtemperatur-Fallrohrreaktor KOALA (Kohleumwandlungs-Anlage) entwickelt und in Betrieb genommen. Die Hauptziele. des Versuchsprogramms sind erstens Untersuchungen zur Reaktionskinetik der Druckkohlenstaubfeuerung unter Druck. Diese Arbeiten werden von der DMT durchgefuhrt. Zweitens stellt die DMT den Reaktor fur Messungen zur Verfugung, die vom Lehrstuhl fur Energieanlagentechnik (LEAT) der Ruhr-Universitat Bochum durchgefuhrt werden. Bei diesen Untersuchungen werden Partikeleigenschaften wie Grofie, Geschwindigkeiten und Temperaturen wahrend des Verbrennungsprozesses gemessen.

Entwicklung des Reaktors

Maximal- Maximal- Inbetrieb- untersuchte Reaktortyp Druck Temperatur nahme EinfluBgroJBen [bar] [°C] Atmospharischer Inkohlungsgrad, Temperatur, Fallrohrrealctor FRR 1985 1 950 Sauerstoffkonzentr., KomgroBe Hochdruck-Fallrohr- Gesamtdruck, reaktor HD-FRR 1987 20 950 S auerstoffpartialdruck Hochtemperatur- Erweitenmg auf Fallrohrrealctor 1993 1 1600 Hochtemperaturbereich, HT-FRR Stickstoffbindung Hochdruck- Erweiterung auf Hochdruck- Hochtemperatur- 1995 20 1600 und Hochtemperaturbereich, Fallrohrrealctor Blahverhalten, HD-HT-FRR KOALA Komzerkleinerung

Tabelle 1: Entwicklung von Fallrohrreaktoren bei der DMT

46 Seite 2

Die Entwicklung und der Ban des KOALA-Reaktors basiert auf der Zusammenfuhrung von zwei Entwicklungslinien der DMT. Zum einen die Entwicklung von Kohleumwandlungs- prozessen unter Drack, wie Druckvergasung, Druckwirbelschichtvergasung, Drackwirbel- schichtverbrennung und Drackpyrolyse. Zum anderen ist es die Entwicklung von Fallrohr- reaktoren. Die Tabelle 1 gibt eine Ubersicht liber diese Entwicklungslinie.

Aufbau und Funktion des Reaktors

In der Abbildung 1 ist schematisch der Aufbau des Reaktors dargestellt. Aus einem Vorrats- behalter wird die Kohle liber ein Dosiersystem in eine Injektorlanze dosiert. Die Injektorlanze wird mit Stickstoff gesplilt und zusatzlich gekuhlt, um eine vorzeitige Erwarmung und Reaktion des BrennstofFs auszuschlieBen.

Abbildung 1: Hochdruck- Hochtemperatur-Fallrohrreaktor KOALA

47 Seite 3

Die Kuppel des Reaktors wird mit dem Arbeitsgas beaufschlagt. In einem Rohrsystem wird es von elektrischen Hochtemperaturheizelementen erhitzt. Hierdurch ist am Eintritt ins Reaktionsrohr eine Temperatur von bis zu 1600 °C zu erreichen. Der Aufgabebereich ist so gestaltet, daB das Arbeitsgas konzentrisch um den zentralen Dosiergasstrom und den darin enthaltenen Partikeln stromt, und Aufheizgeschwindigkeiten von mehr als 104 K/s erreicht werden.

Das Kemstiick des Reaktors ist ein dreiteiliges Reaktionsrohr, in dem die Brennstoffpartikeln bei vorgewahlten Temperaturen und Driicken unter definierten Stromungsbedingungen umgesetzt werden. Das Reaktionsrohr ist mit MeBeinrichtungen sowie Beobachtungs- df&iungen versehen. Die Partikeln durchfallen nach Verlassen des Dosierrohrs eine exakt justierbare Fallstrecke im heiBen Fallrohr. Zur Variation der Fallstrecke laBt sich eine Kollektorlanze iiber eine Strecke von 2 Metem millimetergenau positionieren, wodurch die gewiinschten Verweilzeiten eingestellt werden konnen. Im unteren Bereich des Reaktors befindet sich ein Quench, in dem das Reaktionsgas und der Feststoff abgekuhlt und abgezogen werden.

Beim Betrieb des Reaktors sind Forderraten von 1 bis 1000 g/h Brennstoff einstellbar. Uber die Gasvorheizung konnen Gasstrome bis zu 60 mN3/h bei Driicken bis zu 20 bar auf 1600 °C aufgeheizt werden.

Untersuchungen zur Verbrennungskinetik

Zur Ermittlung des Druckeinflusses auf die Verbrenmmg werden Untersuchungen bei unterschiedlichen Gesamt- und Sauerstoffpartialdriicken unter Variation des Gasvolumenstroms, der Verweilzeit und der Feststoffdosierrate durchgefuhrt. Aus den nach unterschiedlichen Fallstrecken aufgefangenen Ruckstanden werden die Umsatzkurven bestimmt.

Die Untersuchungen der Kohleverbrennung erfolgen durch separate Untersuchungen von Pyrolyse und Restkoksverbrennung. Dabei wird zunachst die Pyrolysekinetik aus Versuchen mit Inertgas ermittelt. Die zusatzlichen Umsatze in oxidierender Atmosphare ergeben dann die Gesamtreaktion.

Bei den hier beschriebenen Untersuchungen wurde die Gasflammkohle Westerholt eingesetzt. In der Tabelle 2 sind die Ergebnisse der Kurz- und Elementaranalyse des Brennstoffs dargestellt.

48 Seite 4

Kurzanalyse Elementaranalyse

Wasser % 2,13 C % (waf) 85,72

Asche % (wf) 5,15 H % (waf) 5,56 Fluchtige Bestandteile % (waf) 34,02 N % (waf) 1,63

S % (waf) 1,14 O (diff.) % (waf) 5,95

Tabelle 2: Analyse des eingesetzten Brennstoffs Kohle Westerholt

Zur Auswertung der Untersuchungen wird ein Modell herangezogen, das die Reaktions- und Stromungsbedingungen im Reaktor berucksichtigt. Neben den Reaktionsparametem geht die schlagartige Aufheizung der Partikeln bei Hirer Dosierung in das Arbeitsgas ein. Hiermit verbunden ist eine Dichteanderung die zum einen durch die Pyrolysereaktion und zum anderen durch das Blahverhalten der Kohle hervorgerufen wird.

Korngrofienabhangigkeit

In der Abbildung 2 sind die bei einer Reaktortemperatur von 1200 °C, einem Gesamtdruck von 10 bar und einer Sauerstoffkonzentration von 1 % gemessenen Umsatze der Gasflamm- kohle Westerhalt fur drei unterschiedliche Komklassen aufgetragen.

10 . '//

Partikelverweilzeit [s]

Abbildung 2: Abbrandverhalten der Gasflammkohle Westerholt bei unterschiedlicher

Einsatzkomung (1200 °C; 1 % Sauerstoff)

49 Seite 5

Die Komklassen sind so gewahlt, daJ3 sie einerseits dicht zusammen liegen, um vergleichbare Bedingungen bei der Dosierung und dem Verbrennungsablauf zu gewahrleisten, und daJ3 andererseits der gesamte KomgroBenbereich so groB ist, dab ein KomgroBeneinfluB auf die Umsatze deutlich erkennbar sein miiBte. Die ermittelten Umsatze liegen allerdings eng zusammen und lassen keine unterschiedlichen Tendenzen im Abbrandverlauf erkennen.

In die Abbildung 2 sind zusatzlich Abbrandkurven dargestellt, die mit Hilfe des Auswerte- modells fur die drei untersuchten Komungen berechnet wurden. Dabei werden deutliche UnterscMede zwischen der Lage der MeBpunkte der einzelnen Komklassen und den zugehorigen theoretischen Abbrandkurven sichtbar. So findet man fur die obere Komklasse systematisch hohere Abbrande im Vergleich zum Modell. Diese unerwartete Diskrepanz zwischen den MeBergebnissen und dem Modell kann darauf zuruckgefuhrt werden, daB bei der Pyrolyse eine Fragmentierung der Kohlepartikeln stattfindet.

Eine Fragmentierung bedeutet fur die Berechnung, daB die realen Komdurchmesser wahrend der Verbrennung deutlich kleiner sind als die im Modellansatz angenommenen Komdurch ­ messer. Die Berucksichtigung der Komzerkleinerung spiegelt sich in den hoheren Werten der scheinbaren Aktivierungsenergie wider.

Zur Uberpritfung der Arbeitshypothese einer Komzerkleinerung wahrend der Pyrolyse wurden KomgroBenanalysen der Ruckstande durchgefuhrt. Als Analysenverfahren wurde die Impaktormethde gewahlt. Bei diesem Trennverfahren handelt es sich um eine Sichtung, bei der neben der KomgroBe auch Form und Dichte der Kdmer EinfluB auf die Trennung haben. Da der Partikeldurchmesser im Auswertemodell zur Bestimmung der Sinkgeschwindigkeit, bzw. der Partikelverweilzeit dient, ist die zusatzlich Berucksichtigung der genannten EinfluBgroBen erwunscht xmd der SichtprozeB damit das Verfahren der Wahl.

In der Abbildung 3 sind die ermittelten kumulativen KomgroBenverteilungen der Pyrolyse- kokse aus den drei untersuchten Komfraktionen dargestellt. Der Verlauf der Verteilungs- kurven macht deutlich, daB die Fragmentierung der Gasflammkohle Westerholt sehr ausgepragt ist. Massendurchgange bei 50 % liegen im aquivalenten Komdurchmesser zwischen 0,01 und 0,025 mm dicht zusammen. Bemerkenswert ist, daB der Pyrolyseriickstand der grdberen Komklasse einen groBeren Feinstkomanteil aufweist als der Ruckstand der kleineren Standardkomung.

50 Seite 6

Aequivalenter Korndurchmesser [mm]

Abbildung 3: Kumulative KorngroBenverteilungen der Pyrolyseriickstande der Gasflammkohle Westerholt bei unterschiedlichen Einsatzkomungen

SchluBfolgerung

Die aus den Untersuchungen von drei Kornfraktionen einer Gasflammkohle gewonnenen Ergebnisse zeigen nicht den erwarteten KomgrofieneinfluB. Die Bestimmung der Komgrofien- verteilung der Ruckstande lafit auf eine erhebliche Zerkleinerung der Partikeln bei der schnellen Aufheizung schliefien. Dieser Behind macht es erforderlich, das zur Auswertung benutzte Modell zu uberarbeiten.

Welche Bedeutung die Fragmentierung fur den technischen Mafistab hat, lafit sich zur Zeit nur abschatzen. Zum einen ist der erforderliche Aufmahlungsgrad zu diskutieren, zum anderen der Einflufi auf die Grofie der Ascheteilchen und somit die Auswirkungen auf nachgeschaltete Gasreinigungssysteme.

Danksagung

Die Autoren danken fur die finanzielle Unterstiitzung ihrer Arbeit durch das BMBF (Forder- Nr.: 0326844 A)

51 2.6

Dipl.-lng. Rolf Chalupnik, Dr.-lng. Joachim Konig, RWE Energie AG, Essen

Druckverbrennung von rheinischer Braunkohle

52 RWE Energie Essen, 10.11.98 Aktiengesellschaft KF-FG, Ch/Dr. Ko/kaz Seite: -1- *DE012895904*

Statusseminar „Druckkohlenstaubgefeuerter GasturbinenprozeE" am 17.11.1998

Beitrag RWE Energie: „Druckverbrennung von rheinischerBraunkohle"

DE99G9513 Autoren: Dipl.-lng. Rolf Chalupnik Dr.-lng. Jochen Konig

1. Einleitung

Kohle wird zukunftig weltweit der wichtigste Primarenergietrager bleiben. Die Verbesserung von Kohleverstromungstechniken ist daher ein wichtiges Ziel. Ebenfalls ist der Weiter- entwicklung wirkungsgradsteigernder und emissionsmindemder MaEnahmen eine groEe Bedeutung beizumessen.

Heute steht fur RWE Energie die Optimierung und Weiterentwickiung des konventionellen Dampfkraftwerkes im Mittelpunkt der Entwicklung. RWE Energie beabsichtigt am Standort NiederauEem im rheinischen Braunkohlerevier in der Nahe von Koln einen 950-MW- Braunkohleblock mit optimierter Anlagentechnik (BoA) [1] zu errichten und im Jahre 2002 in Betrieb zu nehmen. Der Block wird einen Nettowirkungsgrad von mehr als 43% aufweisen und die nach technischen und wirtschaftlichen Kriterien bestverfugbare Technik des konventionellen Dampfkraftwerkes fur Braunkohle enthalten. Trotz des hohen technischen Entwicklungsstandes unternimmt RWE Energie groEe Anstrengungen, urn die Braunkohlekraftwerkstechnik welter zu verbessem. Als nachster Entwicklungsschritt wird ein mit Trockenbraunkohle befeuerter Dampf- erzeuger angestrebt. Dabei handelt es sich urn einen modifizierten Braunkohleblock (BoA-plus), dem eine mit Niedertemperaturwarme betriebene Kohletrocknung vorgeschaltet wird. Dadurch wird die Moglichkeit eroffnet, den Wirkungsgrad urn weitere 4 bis 5%-Punkte zu steigern [2j.

Die Verbrennung unter Druck verspricht durch die kompakte Bauweise in Kombination mit der Nutzung des Gas- und Dampfturbinenprozesses langfristig ein technisch/wirtschaftliches Entwicklungspotential. Durch Beauftragung verschiedener Hochschulinstitute werden bei RWE Energie Konzepte untersucht und bewertet, die auch uber BoA und BoA-plus hinaus langfristig als Option fur die Braunkohle in Frage kommen.

M:kaz/word/ch/VortragCha-K6n101198aktuell 53 RWE Energie Essen, 10.11.98 Aktiengesellschaft KF-FG, Ch/Dr. Ko/kaz Seite: -2-

Vorlaufend warden in den Jahren 1991 bis 1996 bei der VEAG zusammen mit RWE Energie unter Beteiligung der Herstellerindustrie und Universitaten Konzepte von Kombikraftwerken mit zirkulierender Druckwirbelschichtfeuerung auf Braunkohlebasis untersucht. Begleitend warden experimentelle Untersuchungen zum Verbrennungs- und Emissionsverhalten von ost- und west- deutschen Braunkohlen durchgefuhrt, urn deren Eignung fur die Verbrennung in der Druck- wirbelschicht zu uberprufen. Diese Versuche warden durch Tests zur Forderung sowie zum Eintrag von Braunkohle in Druckraume erganzt.

2. Kraftwerkssysteme mit Druckfeuerung

Fur Braunkohle sind langfristig nur Kraftwerkskonzepte mit einem Wirkungsgradpotential > 50 % interessant. Aus heutiger Sicht sind zwei potentielle Kraftwerkssysteme mit Druckfeuerung geeignet, urn dieses Ziel zu erreichen:

• Kombikraftwerk mit Druckwirbelschichtfeuerung und Rauchgasaufheizung (.second generation'-DWSF) und • Kombikraftwerk mit Druckkohlenstaubfeuerung (DKSF).

Bild 1 zeigt schematisch die wesentlichen Baugruppen eines Kraftwerks mit Druckwirbel­ schichtfeuerung (DWSF).

Die Kohle wird auf die geforderte Kornung vorgebrochen und ggf. mit Wasser zu einer pump- fahigen Suspension angemischt. Im Feuerraum wird die Kohle unter Druck verbrannt, wobei die Feuerung fur stationaren Oder zirkulierenden Wirbelschichtbetrieb ausgefuhrt sein kann. Die Dampferzeugung erfolgt entweder durch Warmeaustauscher, die in die Feuerung integriertoder bei zirkulierenden Systemen auch auBerhalb des Kessels im Feststoffumlauf angeordnet sein kbnnen. Das Rauchgas wird mittels Zyklonabscheidem Oder keramischen Filtern entstaubt und anschlieBend in die Gasturbine geleitet.

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Bild 1: Kombikraftwerk mit Druckwirbelschichtfeuerung

Damit sind die Baugruppen fur ein DWSF-Kraftwerk der ersten Generation, dessen Markteintritt zur Zeit erfolgt, genannt. Bei der Ausfuhrung als .second generation' (Hybrid)-DWSF erweitert sich der Aufbau um die Brenngaserzeugung und die Rauchgasnachfeuerung zur Erhohung der Gasturbinen-Eintrittstemperatur. Die Brenngaserzeugung kann nach folgenden Methoden erfoigen:

• Vergasung eines Teilstroms des Einsatzbrennstoffes auRerhalb der Feuerung • Auftrennung der Reaktionszonen im Feuerraum und Erzeugung eines CO-haltigen Schwachgases unter Sauerstoffmangel (extrem gestufte Verbrennung).

Das Kraftwerk mit Druckkohlenstaubfeuerung (DKSF) (Bild 2) nutzt den Gas- und Dampf- turbinen-ProzeR wie folgt: Die Kohle wird in der druckaufgeladenen staubgefeuerten Brenn- kammer verbrannt. Die Rauchgase werden nach einer Flijssigasche- und Alkalienabscheidung unmittelbar in die Gasturbine geleitet. Die Brennkammer wird bei Temperaturen deutlich ober- halb des Ascheschmelzpunktes betrieben. Aufgrund der hohen Verbrennungstemperaturen sind nachgeschaltete NOx-Minderungs- und Entschwefelungsanlagen erforderlich.

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Kohle

Fliissig- Alkali- asche- abschei- abschei- dung dung

Quelle: Steag

Bild 2: Kombikraftwerk mit Druckkohlenstaubfeuerung

Ein wesentlicher Unterschied zwischen DWSF und DKSF liegt in der Feuerraumtemperatur. Die DWSF wird zur Vermeidung der Ascheerweichung bei einer Maximaltemperatur von ca. 900 °C betrieben, wahrend bei der DKSF Feuerraumtemperaturen von 1500 bis 1600 °C erreicht werden sollen. Dabei bildet sich bei der DKSF thermisch Stickoxid, so daft eine SCR-Anlage nachzuschalten ist. Bei der DKSF wird weiterhin eine Rauchgasentschwefelung notwendig sein, da bei den hohen Temperaturen - im Gegensatz zur DWSF - eine Primarentschwefelung durch Additivzugabe nicht moglich ist. Der Aufwand fur die Abscheidung von Flussigasche und Alkalienverbindungen steigt mit der Feuerraumtemperatur.

3. Entwicklungsstand

3.1 ‘Second generation’-Druckwirbelschichtfeuerung (DWSF) Wie bei den atmospharisch betriebenen kann auch bei den druckaufgeladenen Wirbelschichtfeuerungen grundsatzlich nach stationaren und zirkulierenden Systemen unter- schieden werden. Nachdem die Entwicklung der stationaren DWSF Anfang der 70er Jahre begonnen wurde, kam in der zweiten Halfte der 80er Jahre die Variante „zirkulierende DWSF"

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hinzu, die verfahrenstechnische Vorteile erwarten I a fit. Der Entwicklungsstand der stationaren DWSF ist durch den bereits erfolgten Markteintritt gekennzeichnet. Die zirkulierende DWSF ist bisher nur in Pilotanlagen ausgefuhrt.

Die Weiterentwicklung dieser Technik zum ‘second generation ’-DWSF-Kraftwerk steht noch ganz am Anfang. In Deutschland sind drei Vorhaben beabsichtigt, bei denen im LabormaRstab die stark gestufte Verbrennung von Kohle untersucht werden soli (DMT in Essen, Universitat Cottbus und Universitat Stuttgart) (Bild 3).

Kohleaufbereitung |

Kalkstein

DWSF x ~ 0,5-0,9 1 HeiBgasreinigung |

▼ T X ~ 1,2-1,8 Asche

Nachbrennkammer

Luft Abgas 4= Abhitze-DE

Bild 3: Kombikraftwerk mit Druckwirbelschichtfeuerung - extrem gestufte Verbrennung

Die zweite Entwicklungslinie, die eine Teilvergasung vorsieht (Bild 4), wird in USA in dem ,,Lakeland McIntosh Unit 4 Demonstration Project" mit einer 170 MWe-DWSF, die zirkulierend betrieben wird, verfolgt. Ab 2002 soil diese Einheit als ‘second generation ’-ProzeR in Betrieb gehen.

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Bild 4: Kombikraftwerk mit Druckwirbelschichtfeuerung - Teilvergasung

Wesentlicher Entwicklungsbedarf liegt vor in den Bereichen:

• Zirkulierende Feuerung, • Heiftgasreinigung (600 bis 900 °C), • Kohleeintrag, • Brenngaserzeugung und -verbrennung.

Bei der ‘second generation ’-DWSF stehen vorwiegend feuerungstechnische Aspekte im Vorder- grund: • Hohe des erreichbaren Brennstoffumsatzes • Zusammensetzung und Heizwert des Schwachgases • Zundstabilitat des Schwachgases bei Variation der Luftvorwarmung • Einfluft des Verbrennungsluftfuhrung (X^X2 ) auf den Prozeft.

Generell kann festgehalten werden, daft daruber hinaus keine weiteren bemerkenswerten Aktivitaten zur Entwicklung der ‘second generation ’-DWSF bekannt sind.

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3.2 Druckkohlenstaubfeuerung

Aktivitaten zur Entwicklung der Druckkohlenstaubfeuerung sind insbesondere aus Deutschland bekannt. Im Rahmen des von acht deutschen Industriefirmen und der Universitat Essen durchgefuhrten Verbundprojektes DKSF wird seit 1993 in Dorsten eine Versuchsanlage mit einer thermischen Leistung von 1 MW betrieben. Als Folgeprojekt ist der Bau und Betrieb einer Pilot-Anlage mit 10 MW* geplant.

Im Vergleich zu Kombikraftwerken mit Vergasung oder Druckwirbelschicht ist bei der DKSF der Entwicklungsbedarf deutlich hoher. Bei der Entwicklung werden sich die Schwerpunkte auf folgende Themen konzentrieren:

• Druckkohlenstaubverbrennung, • Kohleeintrag und Ascheaustrag, • Reinigung der Rauchgase auf Gasturbinenvertraglichkeit (Flussigasche- und Alkalien- abscheidung), • Entwicklung geeigneter Online- Meftsysteme (Alkalien- und Partikelkonzentrationen), • VerfOgbarkeit der Gasturbine.

4. Braunkohlespezifische Aspekte

Fast alle relevanten vorlaufenden Forschungsaktivitaten sind auf der Basis Steinkohle durchgefuhrt worden. Wichtig ist daher eine Konzentration bzw. Verlagerung der Arbeiten auf die braunkohlespezifischen Aspekte, die im Vergleich zur Steinkohle wie folgt zu nennen sind:

• Fluchtigengehalt: Der Fluchtigengehalt, der bei Braunkohle deutlicher hoher ist, beeinfluftt das Zund-, Verbrennungs- und Emissionsverhalten. Bei den ‘second generation ’- DWSF- Verfahren konnte der hohe Fluchtigengehalt von besonderem Vorteil bei der Gestaltung der Vergasereinheit bzw. des unter Luftmangel betriebenen Brennkammerteils sein, die moglicherweise gegenuber Steinkohleanlagen kleiner ausfallen.

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• Ascheerweichung: Die Ascheschmelzpunkte fur Braunkohle liegen urn 100 bis 200 K niedriger als bei den meisten Steinkohlen. Dies kann vorteilhaft fur die Auslegung und den Betrieb von DKSF sein, wobei allerdings keinerlei Erfahrungen mitbraunkohlebetriebenen Schmelzkammerfeuerungen - auch nicht im atmospharischen Betrieb - vorliegen. Fur DWSF, bei denen eine moglichst hohe Temperatur knapp unterhalb der Temperatur der Ascheerweichung anzustreben ist, sind niedrige Ascheschmelzpunkte nachteilig. Dies kommt urn so mehr zum Tragen, wenn sich im zirkulierenden Betrieb Alkalienverbindungen anreichem mit der Folge einer weiteren Absenkung der Ascheschmelztemperatur.

• Calciumgehalt: Es liegen fur braunkohlebetriebene Druckfeuerungen keinerlei Erkennt- nisse zu den Wechselwirkungen schmelzfiussiger Ascheteilchen mit Feuerfestmaterialien vor. Nach Erfahrungen im Dorstener Verbundprojekt zum Einsatz von Kalkstein zur Steuerung der Schmelztemperatur erhoht sich mit zunehmendem Calciumanteil die korrosive Wirkung auf Feuerfestmaterialien und Kesselwerkstoffe. Dieser Sachverhalt ist bei dem calciumreichen Brennstoff rheinische Braunkohle gezielt zu berucksichtigen.

• Alkalieneinbindung und -freisetzung: Im Rahmen der Entwicklung von Online- Meftverfahren zur Bestimmung gasfdrmiger Alkalienverbindungen wurden an der Uni- versitat Stuttgart (IVD, Prof. Hein) Braun- und Steinkohlen in einem druckbetriebenen Fallrohr-Reaktor verbrannt. Ein erster Befund weist darauf hin, daft die Verbrennungs- temperatur die Haupteinfluftgrofte fur die Alkalienfreisetzung ist und bei der Druck- verbrennung von rheinischer Braunkohle im Vergleich zu der von Lausitzer Braunkohle und verschiedener Steinkohlen um bis zu zwei Groftenordnungen mehr Alkalien frei- gesetzt werden. •

• Quarzsandanteil: Braunkohlen fuhren aufgrund des hohen Anteils an scharfkantigen, vergleichsweise groben Quarzsand zu hoherem Verschleift. Insbesondere bei der Aus­ legung und dem Betrieb von zirkulierenden Wirbelschichten ist diesem Aspekt besonders Rechnung zu tragen.

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Trockenbraunkohle/Rohbraunkohle: Es muB gepruft warden, bis auf welche Restfeuchte und Kornung die einzusetzende Braunkohle aufzubereiten ist, damit das druckbetriebene Feuerungssystem technisch/wirtschaftiich optimal arbeitet.

5. Bisherige Aktivitaten

Erstmals befaBte sich RWE Energie mit der Druckverbrennung im Jahr 1991, als ABB Carbon/Schweden mit der Durchfuhrung einer Machbarkeitsstudie eines 2 x 700 MWei-DWSF- Kraftwerks fur Braunkohlen beauftragt wurde.

In den Jahren 1992 bis 1994 konzentrierte sich das Engagement von RWE Energie auf den Bereich „zirkulierende Druckwirbelschichtfeuerung" im Rahmen einer Zusammenarbeit mit VEAG. Dabei wurden folgende Arbeiten durchgefuhrt:

• Experimentelle Untersuchung des Forderverhaltens von rheinischer und Lausitzer Braunkohle. Dazu wurde von Lurgi Lentjes Babcock (LLB) die Pumpfahigkeit von Kohle/Wasser-Suspensionen ermittelt.

• Ermittlung von Basisdaten zum Verbrennungsverhalten von rheinischer und Lausitzer Braunkohle unter Druck. Die Versuche wurden bei DMT Essen in einer Laboranlage durchgefuhrt.

• Ermittlung von Auslegungsparametern fur eine 150 MW-Demoanlage mit zirkulierender Druckwirbeischicht. Diese Versuche wurden an einer 15 MWth-Pilotanlage der LLB ebenfalls mit rheinischer und Lausitzer Braunkohle durchgefuhrt.

• Beteiligung an der von VEAG veranlaBten Konzeptstudie „Kombikraftwerk mit zirkulierender Druckwirbelschichtfeuerung", in der fur verschiedene Anordnungs- und Schaltungsvarianten Wirkungsgrade, Emissionsdaten sowie Kosten ermittelt wurden.

Die Versuchsreihen ergaben erste positive Tendenzen zur Einschatzung der Druckverbrennung von rheinischer Braunkohle. Dabei erwiesen sich das Ausbrandverhalten der verschiedenen

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Brennstoffe sowie die Schwefeleinbindung als besonders gunstig. Die Ergebnisse dieser vorlaufenden Untersuchungen sind an anderer Stelle beschrieben /3, 4/.

Ein sich anschlieftendes vom BMBF gefordertes und im Verbund mit verschiedenen Betreibern und Herstellem an der Universitat Stuttgart (IVD, Prof. Hein) durchgefuhrtes Forschungs- vorhaben befaftte sich mit experimentellen Untersuchungen sowohl der Druckwirbelschicht- als auch der Druckkohlenstaubverbrennung. Dieses Projekt sollte speziell fur den Fruhbereich der Verbrennung Aufschlusse uber die Brennstoffumsatzreaktionen und Reaktionsprodukte unter Druck, die Einfluftgrbften auf die Emissionen sowie die Freisetzung und Einbindung gasformiger Alkalienverbindungen geben. Dazu wurden zwei Versuchseinrichtungen, ein Druckflug- stromreaktor und ein Druckwirbelschichtreaktor errichtet, an denen rheinische Braunkohle und zum Vergleich hoch- und mittelfluchtige Steinkohlen (Gasflammkohle Gdttelborn) eingesetzt wurden. Die Bestimmung der Alkalienkonzentrationen erfolgte uber Laserspektroskopie mit der ELIF-Mefttechnik.

DKSF Die Untersuchungen zum Abbrandverhalten belegen, daft die rheinische Braunkohle mit ihrem hohen Fluchtigengehalt gegenuber Steinkohlen ein anderes Zerfallsverhalten hat und unter vergleichbaren experimentellen Randbedingungen schneller zundet und abbrennt. Ein deut- liches Unterscheidungsmerkmal zu anderen Kohlen liegt in der systematisch hoheren Ober- temperatur der brennenden Partikel, die mit der hoheren Reaktivitat der rheinischen Braunkohle erklart wird (Bild 5).

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Garzweiler

------Gottelborn

Verweilzeit [ms]

Bild 5: Abbrandverlauf von rheinischer Braunkohle im Vergleich zur Gasflammkohle Gottelborn 75/

DWSF Bel der Druckwirbelschichtverbrennung wurden die aus der atmospharischen Verbrennung bekannten Abhangigkeiten weitgehend bestatigt. Die hoherfluchtige Braunkohle weist hohere Ausbrandraten bei sehr niedrigen CO-Werten auf. Bei dem naturgemaR hohen Ca/S-Verhaltnis erfolgt bereits ohne die Zugabe von Additiven die weitgehende Einbindung von Schwefel- komponenten in die Wirbelschichtasche. Die NOx-Bildung ist vergleichsweise gering und die N20-Werte sind erwartungsgemaR niedrig. Die dominierenden EinfluRgrbRen auf die Emission von CO, S02, NOx und N20 sind Verbrennungstemperatur und Luftzahl. Tendentiell ergibt sich fur diese Komponenten eine geringfugige Druckabhangigkeit (Bilder 6 und 7).

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CO-, S02- Emissionsfelder; X = 1,2; 1,5-13 bar ] 2 0

%

7

, 3 [mg/m

z SO

Wirbelbettemperatur [°C]

Bild 6: Druck- und Temperaturabhangigkeit der S02- und CO-Emissionen bei der Druckwirbelschichtverbrennung von rheinischer Braunkohle /5/

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NOx -, N20-Emissionsfelder; X = 1,2; 1,5 -13 bar

O 50

Wirbelbettemperatur [°C]

Bild 7: Druck- und Temperaturabhangigkeit der NOx- und N20-Emissionen bei der Druckwirbelschichtverbrennung von rheinischer Braunkohle 75/

DWSF - Extrem gestufte Verbrennung Basierend auf den experimentellen Meftwerten wurden Berechnungen zur adiabaten Ver- brennungstemperatur in der Nachbrennkammer durchgefuhrt. Sie entspricht der Gastur- bineneintrittstemperatur und ist somit eine wichtige GrolJe fur den Prozeftwirkungsgrad. Die Berechnungsergebnisse fur rheinische Braunkohle zeigen aufgrund des guten Kohlenstoff- umsatzes im Wirbelbett (>97,5% beiX= (0,55 bis 0,90) 900°C, 13 bar) und entsprechend hoher Gasausbeute deutlich hohere Nachverbrennungstemperaturen. Wird das Schwachgas bei einer Mischtemperatur von ca. 600°C und einem LuftuberschuB von X=1,2 verbrannt, konnen adiabate Verbrennungstemperaturen bis zu 1400°C erreicht werden (Bild 8).

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Adiabate Nachbrennungstemperatur, Garzweiler 13 bar, L, = 900 °C, tMisch= 600°C

w o> c 3 C C 2 .QL. Q) > -C o

co .q ro 45 <

Primarluftzahl X [-]

Bild 8: Adiabate Nachverbrennungstemperatur in Abhangigkeit von der Primar- und Gesamtluftzahl bei der extrem gestuften Verbrennung von rheinischer Braunkohle 151

Alkalienfreisetzung Zur Uberprufung der grundsatzlichen Eignung der ELIF-Mefttechnik (Excimerlaser induzierte Fragmentierungsfluoreszenz) fur ProzeBbedingungen unter Druck warden an einem atmo- spharisch betriebenem Flugstromreaktor fur verschiedene Braun- und Steinkohlen die Konzen- trationen gasformiger Alkalien bestimmt. Die Temperaturabhangigkeit der Natrium undKalium- Freisetzung war deutlich. Bei alien Brennstoffen ist mit zunehmender Verbrennungstemperatur ein progressiver Anstieg der Alkalienkonzentration im Abgas sichtbar. Bezuglich der Hohe der Natriumkonzentrationen ergaben sich erhebliche Unterschiede, wobei fur die untersuchte rheinische Braunkohle die hochsten Werte ermittelt warden (Bild 9). Eine Korrelation zwischen der Alkalienfreisetzung aus dem Kohlekorn und der gegenuber der Globaltemperatur deutlich hoheren Partikeltemperatur konnte nachvollzogen werden.

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Messung gasfdrmiger Natriumverbindungen mittels Laserfluoreszenzspektroskopie (ELIF)

Bild 9: Na- Emissionen uber der Verbrennungstemperatur fur verschiedene Braun- und Steinkohlen 75/

6. Untersuchungsprogramm zur Bewertung von Druckverbrennungssystemen

Die genannten Verfahrenslinien stehen erst am Anfang ihrer Entwicklung. Da sich alle bisher durchgefilhrten Aktivitaten auf Steinkohle beziehen, ist heute nicht abschatzbar, welche der beiden Varianten ein groReres technisch/wirtschaftliches Potential fur die Druckverbrennung von Braunkohle hat.

Um die Entwicklung der beiden Druckverbrennungstechniken in ihren vielen Verfahrens- varianten intensiv zu verfolgen und die braunkohlespezifischen Aspekte starker zu beruck- sichtigen, wurde ein Arbeitsprogramm initiiert, das sich mit Untersuchungsprogrammen zur Druckverbrennung von Braunkohle auf Basis theoretischer Betrachtungen und Berechnungen, Simulationen und experimentellen Untersuchungen an Hochschulinstituten befaRt.

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Die Ergebnisse der Programme sollen die Bewertung der zur Diskussion stehenden Kraft- werkskonzepte fur den Braunkohleeinsatz ermoglichen. RWE Energie hat sich im Rahmen der Hochschulforderung an Arbeitsprogrammen beteiligt, deren Inhalte im foigenden skizziert werden:

• Universitat Stuttgart, Institut fur Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen (IVD) An den vom IVD betriebenen Versuchseinrichtungen zur DKSF und DWSF wurden fur beide Systeme bereits erste Erkenntnisse zur Eignung der rheinischen Braunkohle fur die Druckverbrennung gewonnen.

Im Rahmen des BMBF-geforderten Forschungsvorhabens DruckFLAMM sollen durch weitere experimentelle Untersuchungen am Druckflugstromreaktor im Vergleich zu anderen Kohlen die Erkenntnisse zum Zund- und Ausbrandverhalten rheinischer Braunkohle unter den Prozeftbedingungen der DKSF vertieft und Aussagen zum erreichbaren Brenn- stoffumsatz gewonnen werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Untersuchung der Bildungs- und Abbaumechanismen fur NOx. Die Ergebnisse sollen unter Einhaltung 'reak- tionskinetischer Ahnlichkeit' mit Hilfe von Rechenmodellen auf den GroRanlagenmaRstab ubertragen werden.

Aufbauend auf den Ergebnissen bisheriger ELIF-Messungen zu den Alkalienkonzen- trationen im Abgas der DKSF werden die Arbeiten zur Untersuchung der Entstehung, Einbindung und Abscheidung von gasturbinenunvertraglichen Verbindungen fortgesetzt.

Die Untersuchungen zur DWSF konzentrieren sich auf das Konzept der extrem gestuften Verbrennung (.second generation'-DWSF). Im Vordergrund stehen experimentelle Unter­ suchungen zur Betriebsfuhrung, um Parameter wie Luftstufung (Wirbelbett/Nachbrenn- kammer) Schwachgaszusammensetzung und Nachverbrennungstemperatur im Gesamt- prozeR charakterisieren zu kbnnen. Desweiteren sollen Erkenntnisse uber die Bildung und die Emission von Schadstoffen sowie ihre Minderungs- und Einbindemoglichkeiten ge ­ wonnen werden.

In Kooperation mit weiteren Partnem in DruckFLAMM untersucht das IVD an beiden druckbetriebenen Versuchsanlagen sowie weiteren Versuchseinrichtungen Werkstoffe auf

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ihre Eignung in Drucksystemen z. B. fur Filter, Brennkammerausmauerungen, Hochtempe- ratur-Warmetauscher und Turbinenschaufeln.

• BTU Cottbus, Lehrstuhl fur Kraftwerkstechnik Am Lehrstuhl fur Kraftwerkstechnik befindet sich eine Technikumsanlage zur Weiter- entwicklung der zirkulierenden Druckwirbelschichtfeuerung in der Planung. Die Anlage soil die wesentlichen Funktionen einer .second generation'-DWSF-Anlage nachbilden, wobei unterschiedliche Konzepte der Luft- und Brennstoff-Stufung dargestellt werden kbnnen. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens, das ebenfalls vom BMBF gefordert wird, ist neben Lausitzer Braunkohle auch der Einsatz rheinischer Braunkohle vorgesehen. Im Gegensatz zu der DWSF-Versuchsanlage am IVD in Stuttgart, an der die Feuerung stationar betrieben wird, ist in Cottbus eine zirkulierende Druckwirbelschichtfeueumg geplant, so daR beide Feuerungssysteme beurteilt werden kbnnen.

Fur den Betrieb mit extrem gestufter Verbrennung werden die Reaktionszonen aufgetrennt, indem der Druckwirbelschichtreaktor im unteren Teil leicht uberstochiometrisch betrieben wird, um moglichst viel Kohie umzusetzen. Im oberen Teil wird weitere Kohle zugegeben, die dort unter Temperaturverringerung pyrolysiert. Das dabei erzeugte Schwachgas wird nach Reinigung der Nachbrennkammer zugefuhrt und der im Zyklon abgeschiedene Restkoks in den unteren uberstochiometrisch betriebenen Brennkammerteil zuruckgefuhrt.

Voruntersuchungen betreffen die Oberprufung der Funktionstuchtigkeit desAnlagensystems und die Ermittlung von Betriebs- und Emissionsdaten fur den Vergleich der uber- undunter- stochiometrischen Fahrweise des Druckwirbelschichtreaktors. Wesentliches Augenmerk wird auf der Zusammensetzung und Qualitat des im unterstochiometrischen Betrieb er- zeugten Schwachgases mit seinen je nach ProzeRbedingungen unterschiedlichen brenn- stoffchemischen Fragestellungen liegen.

Die Untersuchungsschwerpunkte betreffen zum einen das Teilsystem 'Brennkammeri, fur die zur Ermittlung des Zund- und Ausbrandverhaltens bei verschiedenen Lastzustanden und unterschiedlichen ProzeRbedingungen der Grad der Kohienstoffumsetzung und die Tempe- raturverteilung im Wirbelbett zu bestimmen sind. Zum anderen ist das Teilsystem 'Feststoff- ruckfuhrung' mit der umlaufenden Asche betroffen, die je nach Betriebsbedingungen unterschiedliche Kohlenstoffgehalte enthalt. SchlieRlich sind fur das Teilsystem 'Nach-

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verbrennung' die Ein- und Ausgangsstrdme zur Bestimmung der Schwachgasqualitat und Emissionen zu analysieren.

Einen weiteren Schwerpunkt wird die Behandlung des HeiBgases darstellen. Bei unter- stbchiometrischem Betrieb des Reaktors kann das Rohgas Teere enthalten, die „nach- cracken" und RuB bilden konnen. Es wird zur untersuchen sein, ob derartige Bestandteile die Funktionstuchtigkeit keramischer Filterkerzen beeintrachtigen. Die Anlage wird daher mit einer HeiBgasreinigung, bestehend aus 6 Filterkerzen ausgerustet, an denen neben dem EinfluB der Rauchgastemperatur auch verfahrenstechnische Fragestellungen (Kerzen stehend Oder hangend) geklart werden konnen.

• RWTH Aachen, Institut fur Warmeiibertragung und Klimatechnik Fur die Untersuchungen mit Braunkohle steht die ursprunglich fur Untersuchungen zur Druckverbrennung von Steinkohle konzipierte und vom BMBF mitfinanzierte Versuchs- brennkammer mit Druckkohlenstaubfeuerung im alten Heizkraftwerk der RWTH Aachen zur Verfugung. Urn speziell die Vorgange im Fruhbereich der Verbrennung, die im wesentlichen die Flammenabmessungen, den Ausbrand sowie die Emissionen bestimmen, zu untersu­ chen und zu vermessen, ist diese Anlage ist mit einem optisch zugangigen Drallbrenner ausgestattet.

Ein Ziel ist die detaillierte experimentelle als auch numerische Untersuchung des Ablauts der Braunkohleverbrennung fur den Druckbereich bis 20 bar, fur den bislang keinerlei Erfahrungen uber das Pyrolyse-, Zund- und Verbrennungsverhalten vorliegen. Desweiteren sollen Kenntnisse zum Verhalten schmelzflussiger Aschepartikel, z. B. zur GroBenvertei- lung, gewonnen werden. Die Kenntnis der GroBenverteilung der flussigen Staubpartikel im Rauchgas ist Voraussetzung fur die Wahl und Auslegung von Abscheidesystemen und die Beurteilbarkeit von Moglichkeiten der technischen Realisierung der Rauchgasreinigung.

Bei den hohen Temperaturen in der ungekiihlten Brennkammer sind erhebliche NOx- Emissionen durch die thermische NOx-Bildung zu erwarten. Die Bildung und Reduktion von Stickoxiden bei der Druckverbrennung von Braunkohle in einer Drallflamme soil experimentell und numerisch untersucht werden, wobei im ersten Schritt Teilmodelle zur Beschreibung der NOx-Reduktionskinetik bei der Druckverbrennung von Braunkohle erarbeitet werden. Mit Hilfe der MeBwerte erfolgt die sich anschlieBende Validierung und

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Verbesserung. Dazu warden Oaten zur Reaktionskinetik benotigt, die in oben erwahntem Programm der IVD Stuttgart gewonnen werden.

• Universitat Essen, Lehrstuhl fur Umweitverfahrenstechnik und Anlagentechnik Innerhalb dieses Vorhabens soil eine grundsatzliche Bewertung der Druckverbrennung in technisch/wirtschaftlicher Hinsicht erfolgen.

Es wird eine Untersuchung durchgefuhrt, die von den technischen Details weitgehend geldst, die weltweiten Chancen der genannten Techniken einschatzen soil. Dabei werden ausgehend von der wirtschaftlichen Bewertung die zu beurteilenden kombinierten Gas- und Dampfturbinenprozesse mit Druckverbrennung in Konkurrenz zu anderen modernen Ver- fahren der Kohleverstromung begutachtet.

Die Vorhaben in Aachen, Stuttgart und Cottbus wurden im Laufe des Jahres 1998 angestoften. In Aachen und Stuttgart finden zur Durchfuhrung der eigentlichen Versuchsprogramme vorbereitende Arbeiten statt. Die Inbetriebnahme derTechnikumsanlage in Cottbus ist fur Mitte 1999 vorgesehen. Die technisch/wirtschaftliche Bewertung an der Universitat Essen soil im Laufe des Jahres 1999 erfolgen

Es wird erwartet, daft sich aus den Untersuchungsergebnissen - unterstutzt durch daraus abgeleitete Berechnungsmethoden zur Sicherstellung der Obertragbarkeit der Ergebnisse auf den Anwendungsfall - verfahrenstechnische Vorgaben und wichtige Kriterien fur die Auslegung von Brennern und Brennkammern sowie die Wahl und Auslegung von Abscheidesystemen und damit fur die Dimensionierung und die Kosten des Dampferzeugern und nachgeschalteten Anlagenkomponenten ableiten lessen.

Auf der Basis der genannten Projekte sollen innerhalb der nachsten zwei Jahre Erkenntnisse erarbeitet werden, die eine Bewertung der Eignung von Braunkohle fur die Druckverbrennung ermoglichen. Aufgrund der Ergebnisse kann Ende 2000 uber eine mogliche Fortsetzung entschieden werden, die auch wesentlich davon abhangen wird, ob eine offentliche Forderung ftir die genannten F&E-Projekte zur Verfugung steht.

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7. Zusammenfassung

Als langfristige Entwicklung newer Feuerungssysteme bietet die Verbrennung unter Druck durch die kompakte Bauweise in Kombination mit der Nutzung des Gas- undDampfturbinenprozesses ein technisch/wirtschaftliches Potential. Fur Braunkohle scheinen zwei Systeme geeignet:

• Kombikraftwerk mit Druckwirbelschichtfeuerung und Rauchgasaufheizung ('second generation'-DWSF) und • Kombikraftwerk mit Druckkohlenstaubfeuerung (DKSF).

Fast alle bisherigen Forschungsaktivitaten zu diesen beiden potentiellen Kraftwerkstechniken sind auf der Basis Steinkohle durchgefuhrt worden. Wichtig fur weitere Programme ist daherbei den zukunftigen Arbeiten auch die braunkohlenspezifischen Aspekte zu berucksichtigen. Dazu zahlen die hohen Gehalte der Braunkohle an Feuchte, Fluchtigen und Asche, der hohe Quarz- sandanteil der Asche, die niedrigen Ascheschmelzpunkte, und speziell bei der rheinischen Braunkohle die gegenuber anderen Brennstoffen unterschiedliche Alkalieneinbindung und -freisetzung.

Nach den Ergebnissen vorlaufender experimenteller Untersuchungen mit beiden Druck- verbrennungstechniken weist die rheinische Braunkohle ein gegenilber Steinkohle vergleich- bares, wenn nicht sogar gunstigeres Verbrennungs- und Emissionsverhaiten auf. Bezuglich der Hohe der Natriumkonzentrationen ist jedoch festzuhalten, daB sich im Vergleich zu anderen Braun- und Steinkohlen erhebliche Unterschiede ergaben, wobei fur die untersuchte rheinische Braunkohle die hochsten Werte ermittelt wurden.

Urn die Entwicklung der beiden Druckverbrennungstechniken in ihren vielen Verfahrens- varianten intensiv zu verfolgen und die braunkohlespezifischen Aspekte starker zu beruck­ sichtigen, wurde ein Arbeitsprogramm initiiert, das sich mit der Druckverbrennung von Braun­ kohle durch experimentelle Untersuchungen an Hochschulinstituten befaBt. Diese Unter- suchungsprogramme werden durch eine grundsatzliche technisch/wirtschaftliche Einschatzung erganzt.

Die Schwerpunkte des Programms betreffen filr die DKSF

M:kaz/word/chAZortragCha-Kon101198aktuell 72 RWE Energie Essen, 10.11.98 Aktiengesellschaft KF-FG, Ch/Dr. Ko/kaz Seite: -21-

• das Pyrolyse-, Zund-, Abbrandverhalten insbesondere im Fruhbereich der Verbrennung, • die Bildung und feuerungsseitige Minderung von NOx, • die Entstehung, Einbindung und Abscheidung von Alkalien, • das Verhalten und die Einbindung schmelzflussiger Aschepartikel sowie • Werkstofffragen.

Die Untersuchungen zur .second generation ‘-DWSF befassen sich mit

• der geeigneten Aufteilung und Anordnung der unter- und uberstochiometrisch betriebenen Reaktionenzonen bei verschiedenen Betriebsbesdingungen, • dem unter den verschiedenen Konstellationen erreichbaren Brennstoffumsatz und der Schwachgaszusammensetzung sowie • verfahrenstechnischen Fragestellungen unter anderem zur Heifigasentstaubung und zur Eignung entsprechender Werkstoffe.

Es wird erwartet, daB sich aus den Untersuchungsergebnissen wichtige Kriterien fur die Auslegung von Brennern und Brennkammern sowie die Wahl und Auslegung von Abscheide- systemen und damit fur die Dimensionierung und die Kosten des Dampferzeugern und der nachgeschalteten Anlagenkomponenten ableiten lessen.

Auf der Basis der genannten Projekte sollen innerhalb der nachsten zwei Jahre Erkenntnisse erarbeitet werden, die eine Bewertung der zur Diskussion stehenden Kraftwerkskonzepte fur die Druckverbrennung von rheinischer Braunkohle ermoglichen.

M:kaz/word/clWortragCha-Kon101198aktuell 73 RWE Energie Essen, 10.11.98 Aktiengesellschaft KF-FG, Ch/Dr. Ko/kaz Seite: -22-

Literatur:

1) Kallmeyer, D. “Braunkohlenkraftwerk mit optimierter Anlagentechnik" Pflugbeil, M. Energiewirtschaftliche Tagesfragen, Wick, W 48. Jg. Heft 8,1998

2) Elsen, R. “Wirkungsgradverbesserung neuer Braunkohlekraftwerke Blumenthal, U. durch vorgeschaltete Trocknung" Wick, W. VDI-Berichte 1280,1996 Ewers, J.

3) Bauer, F. “PFBC development for lignite-fired CC Power Plants" Meier, H.-J. Power Gen-Europe, Cologne, Germany, 1994 v. Smuda, J. Stuhlmuller, F.

4) Krautz, H.-J. “Braunkohlekombikraftwerke mit zirkulierender Chalupnik, R. Druckwirbelschichtfeuerung" VGB-Konferenz Feuerungen, Essen, 1994

5) Bauer, Ch. “Anwendungsgerichtete Grundlagenuntersuchungen zur Nagel, H. Umsetzung fester fossiler Brennstoffe unter Druck" Reichelt, T. SchluGbericht-FKZ 0326787-IVD, Universitat Stuttgart, Klaiber, Ch. 1998 Kuner, Ch. Leyer, J.

M:kaz/word/ch/VortragCha-Kon101198aktuell 74 3.

Themenbereich: Alkalien

3.1

A. Witthohn, L. Oeltjen, K. Hilpert und L. Singheiser, Forschungszentrum Julich, Institut fur Werkstoffe und Verfahren der Energietechnik, Julich

Freisetzung und Einbindung von Alkalien bei der Kohleverbrennung

75 *DE0128959 DE99G95 12 „t« in""""" , ,nmi i»»'» "™ „l,HI"" INVESTIGATIONS OF ALKALI RELEASE AND SORPTION IN COAL CONVERSION

A. Witthohn, L. Oeltjen, K. Hilpert, L. Singheiser

Forschungszentrum Julich Institut fur Werkstoffe und Verfahren der Energietechnik 52425 Julich

AIMS ■ Understanding, predicting and influencing the alkali metal release from mineral matter (ash) in coal ■ Determination of appropriate sorption materials for alkali metals ■ Evaluation of thermodynamic data base systems

BACKGROUND ■ Development and improvement of combined cycle plants for efficient coal conversion ■ Hot corrosion of gas turbine components and fireside corrosion of boiler tubes caused bv alkali sulfates

Efficiencies of coal-fired power plants Combined cycle with

76 -2-

SAMPLES ■ Ashes of lignites and hard coals (different origin) pro­ duced at different temperatures ■ Plant deposits ■ Na/K-enriched hard coal slags ■ Synthetic slags Composition of coal ashes [g/(100g)j 8 SiO, AI2O3 Fe203 CaO MgO Na20 K20 SO, " Cl Lignite Rheinland (450°C) "u" 46.7 3.1 7.0 15.5 4.3 0.5 0.4 15.0 3.0 0.14 Hard coal Saar (575°C) 38.3 18.3 11.4 8.5 2.8 1.1 1.7 9.2 12.5 0.02

METHODS Knudsen effusion mass spectrometry (KEMS) Mass filter Detector Ion source- —Hi "| I! h Molecular L | J II beam——_ . Vacuum Knudsen identification of gaseous species cell determination of partial pressures (10-6..10 Pa) Sample sample temperatures to 2000°C Cell heating — determination of thermodynamic data

accompanied by ashing experiments (02 plasma, muffle furnace), chemical analyses, in-situ high-temperature XRD, differential thermal analysis (DTA)

■ Thermodynamic modelling

Model systems • components: Na20, K20, Si02, Al203, Fe203l CaO

AG minimizer Thermodynamic data • ChemSage .FACT . Hastie & Bonnell

• modified quasichemical model (QUAS) • ideal mixing of complex components (IMCC)

partial pressure of component over mixture Activity of component in mixture = vapour pressure of pure component -3-

RESULTS (1) Alkali release from laboratory ashes of a boiler lignite and a hard coal

10"

£10* Naover* 2 pure NajSOj <3n ^10-’ Q. "ra NaCI ^ 10"2 Lignite (Rheinland)

10": 400 600 800 1000 1200 1400 1600 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Temperature [°C] Temperature [°C]

(2) Alkali release from laboratory ashes of 4 boiler lignites from the Rheinland open-cast mining region

kci.'k ' / <2S04ove I / xxe KjSO

KCl over 8 / ©

"pure NaCI pu ^

_____ (A y ^ 1L A h \4 / h 1/ 1 \jjji /? -jfKCi] 44------i Ai k 400 600 800 1000 1200 1400 1600 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Temperature [°C] Temperature [°C]

(3) Potassium release from hard coal ashed at different temperatures and corresponding DKSF plant slags*

Furnace (*1500°C) pure KjSO, KClovec pure KOI

Slag extraction/

*• DKSF test plant in Dorsten: pressurized pulverized combustion, liquid slag extraction; hard coal Saar 400 600 800 1000 1200 1400 1600 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Temperature [°C] Temperature [°C] —4—

(4) Alkali activities of a DKSF plant slag (hard coal Saar) enriched to different NazO contents

Na?0 activity " 8.1

KEMS measurement

QUAS

■ 5.8

liquid standard state

1200°C 30 1300 65 1100 1200 1300 1400 1/Temperature [1CTVK] 1 /T emperature [1CT'/K]

(5) Element concentration in a lignite and a hard coal ash as function of the ashing temperature

2.5 -1 Lignite (Rhein and) T h ard coal (£>aar) .2.0 ■4- ■ _ •k 2o . o 1.5 T5 T co ■ NazO /■S* 1.0 I i r Cl 0.5 1

0.0 coal 200 400 600 800 1000 1200 coal 200 400 600 800 1000 1200 Ashing temperature [°C] Ashing temperature [°C]

(6) Comparison of calculated und published experi­ mental NazO activities for the system Na20-Si02-Al203

10' T ■ Experiments: Itch, Yukokawa 0.525:0.075 § S QUAS 0.55:0.1 0.56:0.08 *- IMCC 0.58:0.12 0.6:0.08 ;; 8 i s > 0.64:0.11 '•SCO :: 9 8 0.6.-0.0 9,10-" 0.63:0.02 0 64:0 0

0.67:0.03 0.68:0.0 Solid standard state Si02:AI2C>3=0.7mole:0.05mole T=1300 K 10-' + -I_____ I_____ L_ 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 NazO mole fraction [-] -5-

(7) Comparison of calculated and experimental Na2Q activities for different synthetic slags

0.04Na20-0.60Si02-0.12AI203-0.24CaC) Liquid standard state

KEMS measurement

QUAS 0.09Na 20-0.73Si02-0.18AI 20:

0.05Na20-0.72Si02-0.13Ai203-0.10FeO (mole fraction) 1600 1500 1400

5.9 1/Temperature [1CTVK]

(8) Temperature and composition dependence of the K20 activity of Si02-Al203 mixtures

at 2 mo!% KpO

Liquid standard state

0.4 0.5 0.6 Si02 mole fraction [-]

(9) Temperature and composition dependence of the Na2Q activity of Si02-Al203 mixtures

at 5 mol% Na,0

Na20 mole fraction

Liquid standard state 0.3 0.5 0.7 0.3 0.5 0.7 Si02 mole fraction [-] SiOz mole fraction [-]

80 -6-

CONCLUSiONS ■ Alkali release as NaCI and KCI at 500„900°C differen­ tiates lignite from hard coal ashes ■ Alkali release from coal ashes can be divided into 3 ranges: (A) 500..900°C: NaCI, KCI, partly from salts; (B) 700„1100°C: Na, NaCI, Na2S04, K, KCI; (C) >900°C: Na, K, from silicates ■ The greatest fraction of the alkali metals in the mineral matter of the Saar hard coal is bound by silicates and not released during combustion in the DKSF plant ■ Ashing temperatures between 150 and 650/1 175°C have practically no effect on the alkali content of lignite/hard coal ashes (Rheinland/Saar) ■ Good correspondence between calculated and experi ­ mental activities for binary and ternary systems; corres­ pondence for quaternary systems and real coal slags is bad for high alkali and alkaline earth contents ■ Studies on various synthetic Si02-rich slags and the hard coal slag from the DKSF plant confirm the strong sorption capacity of silicates for alkali metals ■ Reliable quantitative predictions for quaternary and more complex systems as coal slags require more ex ­ perimental data and improved solution models

81 -7 -

PUBLICATIONS ■ A. Witthohn, L. Oeltjen, K. Hilpert: Massenspektrome- trische Untersuchungen und thermochemische Modell- rechnungen zur Freisetzung und Einbindung von Alka- lien bei der Kohleumwandlung Berichte des For- schungszentrums Julich, Jul-3366, Julich 1997. ■ Arne Witthohn, Lars Oeltjen, Klaus Hilpert: Release and sorption of alkali metals in coal conversion; in A. Gupta, R. Natole, A. Sanyal, J. Veilleux (editors): Proceedings of the 1998 International Joint Power Generation Conference, Vol. 1, pp 161-168, Baltimore 1998. ■ Arne Witthohn, Lars Oeltjen, Klaus Hilpert: Alkali release and sorption in coal combustion; in J. Lecomte-Beckers, F. Schubert, P.J. Ennis (edi­ tors): Materials for Advanced Power Engineering 1998, Proceedings of the 6th Liege Conference, Schriften des Forschungszentrums Julich, Reihe Energietechnik, Vol. 5, Part III, pp 1757-1766, Julich 1998.

Acknowledgment: This work has been supported by BMBF under project number ET 6819 D

82 83 3.2

C.R. Steffin, W. Wanzl, K.H. van Heek, DMT-Gesellschaft fur Forschung und Prufung mbH, Geschaftsbereich FuelTec, Essen

Freisetzung und Einbindung von Alkalien bei der Druckverbrennung von Kohlen

84 DE99G9511 *DEO 12895922* Seite 1 ...... Freisetzung und Einbindung von Alkalien bei der Verbrennungund Vergasung von Kohle unter Druck

C.R. Steffin, W. Wanzl, K.H. van Heek DMT-Gesellschaft fur Forschung und Prufung mbH, Essen

Zielsetzung

Ziel der Arbeit war es, den Mechanismus der Freisetzung von Alkalien und deren Einbindung in Tonminerale zu untersuchen und zu priifen, ob die dabei erhaltenen Ergebnisse auf Feue- rungsbedingungen in DKSF-Kraftwerksprozessen ubertragbar sind. Das besondere Augen- merk gait einem moglichen EinfluB der ProzeBparameter Druck, Temperatur und Aufheizrate wie auch dem EinfluB der Gasatmosphaxe und der Zusammensetzung der Kohlemineralsub- stanz auf die Freisetzung und Einbindung von NaCl.

Im Mittelpunkt standen Untersuchungen an Modellsubstanzen, die charakteristisch fur deut- sche Steinkohlen sind. Als Modellsubstanzen wurden daher das Tonmineral Metakaolin (2SiOz AI2O3) und NaCl ausgewahlt, da ersteres Hauptbestandteil der Mineralsubstanz und letzteres Hauptkomponente der wasserldslichen Alkalien in deutschen Steinkohlen sind. Das Gemisch NaCl und Metakaolin wurde in verschiedenen Atmospharen N2, Luft und H2O/N2 bei Drucken von 1 und 20 bar untersucht. Des weiteren wurde durch Hinzugabe von CaO zu Metakaolin die Basizitat der Mineralsubstanz erhoht.

Versuchsaufbau und Durchfuhrung

Zur technischen Durchfuhrung der Versuche 1st von der DMT-Gesellschaft fur Forschung und Prufung mbH eigens eine Hochtemperatur-Hochdruch-Thermowaage entwickelt worden, die

Helium Mikrowaage Temperaturen von 1600 °C bei gleichzeitigen Drucken Waschflasche von 20 bar erlaubt (Abbil- Proben- - schleuse dung 1).

Gas.2 Probe Druckregelventile ProbenthermoelemenV Die Thermowaage besteht im HT-Reaktor wesentlichen aus dem

Dampferzeuger Hochtemperaturreaktor und der Mikrowaage. Im Inneren des Reaktors befindet sich ein HPLC Pumpe Arbeitsrohr aus Korund, das Abbildung 1: Schematischer Aufbau der Hochtemperatur-Hochdruck- von auBen durch ein SiC- Thermowaage Element bis auf 1600 °C be-

85 Seite 2 heizt werden kann. Um sicherzustellen, daB keine korrosiven Bestandteile in den Waagenbe- reich gelangen, wird der Waagenbehalter mit Helium gespult. Die drei verschiedenen Gaszu- leitungen erlauben es, verschiedene Gasmischtmgen herzustellen; des weiteren ist der Betrieb mit Wasserdampf moglich. Die Reaktionsgase durchstromen den Reaktor von unten nach oben und durchstromen dabei die Probe. Die Steuerung und Regelung sowie Datenerfassung erfolgen mit einem Computer.

Der mit NaCl impragnierten Metakaolin bzw. Gehlenit wurde mit einer konstanten Auf- heizrate von 5 K/min von 200 °C auf 1600 °C in Na, Luft oder H2O/N2 erhitzt. Das Gewicht der Probe wurde als Funktion der Temperatur aufgezeichnet und durch Differentiation des integralen Gewichtsverlaufs der differentielle Gewichtsverlust (DTG) bestimmt.

Zur Extrapolation der mittels TGA bei niedrigen Aufheizraten erhaltenen Versuchsergebnisse wurden die Hauptreaktionen in einer Drahtnetzapparatur (Abbildung 2) bei Aufeizraten von 2,5-104 K/min (420 K/s) wiederholt.

Dabei wurden etwa 10 mg 1 Platinnetz mit Probe Lichtpunkt- schreiber Probe in die Laschen eines 2 Elektroden 3 Thermoelement Platinnetzes gefullt und zwi- Spannungsteiler schen zwei Elektroden einge- spannt. Im Reaktor wurde die Probe in dem widerstandsbe- heizten Platinnetz thermisch behandelt. Da eine kontinuier- A A Waschflasche Aufheizregelung liche Gewichtsbestimmung in

der Drahtnetzapparatur nicht Abbildung 2: Schematischer Aufbau der Drahtnetzapparatur moglich ist, wurde der Ge­ wichtsverlust bei einer bestimmten Endtemperatur nach jedem Versuch durch Ein- und Ruckwaage bestimmt. Um den Temperaturbereich abzubilden, wurde die Endtemperatur suk- zessive in Zwischenschritten von je 50 °C von 900 °C bis auf 1700 °C erhdht.

Ergebnisse und Diskussion

Die differentiellen Gewichtsverlaufe von NaCl und Metakolin unter den verschiedenen Atmo- spharen sind in Abbildung 3 wiedergegeben. Die Analysenergebnisse der festen und gasfor- migen Reaktionsprodukte sind in Tabelle 1 aufgefiihrt. Demnach findet unter Stickstoff keine Reaktion zwischen NaCl und Metakaolin statt, sondem das NaCl wird gemaB Gleichung (1) in die Gasphase emittiert.

NaCl + 2Si02-Al203 —B*-> NaCl(g)+ 2 Si02-Al203 (1)

2 NaCl + 2 Si02-Al203 + */ 2 Qua ------> 2 NaAlSi04 + Cl2(g) (2)

2 NaCl + 2 Si02-Al203 + H20(g) ------> 2NaAlSi04 + 2HCl(g) (3)

86 Seite 3

Tabelle 1: Massenbilanz fur die fasten und gasformigen Reaktionsprodukte aus der Umset- zung von NaCl und Metakaolin in den TGA-Versuchen (mo= 100 mg; a= 5 K/min; Tend= 1600 °C; p= 1 bar) Feststoff [mmol] Gasphase [mmol] Si02 A1203 NazO ' Na . Cl NaCl Cl2 HC1 Edulct 0,66 0,34 <0,01 0,38 0,38 - - -

n2 0,69 0,33 0,02 <0,01 0,12 <0,005 <0,01 Produkt Luft 0,64 0,31. 0,21, - <0,01 <0,01 0,11 <0,01 h2o/n2 0,66 0,33 0,19 - <0,01 <0,01 <0,005 0,23 nicht bestimmbar

Der differentielle Gewichtsverlauf unter Na laBt sich formal nach einer Reaktionsordnung von n=l beschreiben. Das deutet darauf bin, da!3 der Mechanismus der Freisetzung ein anderer sein muB als ein rein physikalischer VerdampfungsprozeB, da dieser eine Reaktionsordnung von n=l/3 aufweisen muBte. Wahrscheinlich liegt somit ein DesorptionsprozeB des NaCl von der Metakaolinoberflache vor.

r' [mg/g-K] In Anwesenheit von gasfor- migen Sauerstoffspezies aus 1.5 der Luft oder dem Wasser- dampf kommt es hingegen zu 1,0 einer Reaktion des NaCl mit dem Metakaolin: In Luft wird 0.5 H20/N: das Natrium mit Luftsauer- stoff quantitativ in den Meta­ 0.0 kaolin unter Bildung eines 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Natriumaluminiumsilikats Temperatur [°CJ unter Abspaltung von mole- Abbildung 3: EinfluB der Gasatmosphare auf den differentiellen Ge­ wichtsverlauf r’ eines mit NaCl impragnierten Metakaolins. (TGA- kularem Chlor eingebunden Versuch; m«= 100 mg; a= 5 K/min; Tend= 1600 °C; p= 1 bar) (Gleichung (2)). Analog rea- giert in einer wasserdampf- haltigen Atmosphare das Natrium mit Wasserdampf und Metakaolin unter Bildung eines Na­ triumaluminiumsilikats und HC1 gemaB Gleichung (3). Die Einbindung des Natriums ist unter den vorliegenden TGA-Bedingungen kinetisch und thermodynamisch gegenuber der Desorp ­ tion begunstigt, wobei wiederum eine hohere Aftinitat des Natriums gegenuber Metakaolins in Wasserdampf zu beobachten ist. Das gebildete Natriumaluminiumsilikat ist bis Temperatu- ren von 1600 °C stabil, was darauf hindeutet, daB die Aktivitat des Natriumoxids in der Schlacke sehr gering ist.

87 Seite 4

Durch Hinzugabe von CaO zu dem Metakaolin, wodurch sich Gehlenit bildete, wurde die chemische Eigenschaft (Basizitat) der Mineralsubstanz erhoht. Die DTG-Signale des mit NaCl dotierten Gehlenits ist in Abbildung 4 gezeigt. Eine Erhdhnng der Basizitat r' [mg/g/K] der Mineralsubstanz besitzt keinen EinfluB auf die Desorption des NaCl. Dies andert sich jedoch grundle-

h 2o / n 2 gend fur die Einbindung des NaCl in die basische Mine­ ralsubstanz. Wahrend beim aziden Metakaolin Natrium 0 200 400 600 800 1000 1200 in Luft bzw. H2O quantitativ Temperatur [°C] eingebunden wird, wird die Abbildung 4: EinfluB der Gasatmosphare bei geanderter Basizitat auf den Einbindung beim basischen differentiellen Gewichtsverlauf r’ eines mit NaCl dotierten Gehlenits als Funktion der Temperatur. (TGA-Versuch; mo=100 mg; a=5 K/min; Gehlenit in Luft vollstandig unterdruckt und in Anwe- senheit von Wasserdampf wird nur noch 35 % eingebunden. Der GroBteil des NaCl desorbiert in die Gasphase. Eine Erhdhnng der Basizitat der Mineralsubstanz hat offensichtlich eine dra- stische Abnahme des Einbindungspotentials der Mineralsubstanz fur Alkalien zur Folge.

Anders wirkt sich eine Erhohung des Drucks auf 20 bar aus (siehe Abbildung 5) Die DTG-Signale bei 20 bar und r’ [mg/g/K] in einer sauerstoff- bzw. was- serdampfhaltigen Atmosphare 1,5 gleichen denen bei 1 bar. D.h. die Einbindung des Natriums in 1,0- h 2o / n 2 o 2/ n 2 n 2 den Metakaolin wird nicht durch einen erhohten Druck 0,5 beeinfluBt. Entscheidend andert sich jedoch das Desorptionsver- 0,0 200 400 600 800 1000 1200 halten durch den hdheren Temperatur [°C] Druck. Wie aus Abbildung 5 Abbildung 5: EinfluB der Gasatmosphare bei geandertem Druck auf den ersichtlich, bildet sich zusatzlich differentiellen Gewichtsverlauf r’ eines mit NaCl dotierten Metakaolins ein zweites Maximum bei hdhe­ als Funktion der Temperatur (TGA-Versuch; mo=100 mg; a=5 K/min; ren Temperaturen von 960 °C T„,h=1600 °C; p=20 bar) aus. Dies ist wahrscheinlich darauf zuriickzufuhren, daB nach dem Schmelzen des NaCl auf der Metakaolinoberflache die Desorption in den Gasraum durch auBere Stofftransportlimitie- rung gehemmt wird.

88 Seite 5

Um die bei niedrigen Aufheizraten in der TGA erhaltenen MeBergebnisse auf technische Pro- zesse ubertragen zu konnen, warden weitere Versuche in der Drahtnetzapparatur bei Auf­ heizraten von 2,5-104 K/min durchgefiihrt. Die entsprechenden DTG-Signale sind in Abbil- dung 6 dargestellt. Unter Na-Atmosphare kommt r' [mg/g-K] es zu einer Verschiebung des Peaks zu hoheren Temperatu- ren, zu einer Intensitatsab- nahme und Peakverbreite- rung. Dieses ist aber aus- schliefilich auf die hohere Aufheizrate zuriickzufuhren und nicht auf eine Anderung 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 im Mechanismus. Auch bei Temperatur [°C] hohen Aufheizraten laBt sich Abbildung 6:Einflu6 der Gasatmosphare bei geanderter Aufheizrate aui der Reaktionsverlauf durch den differentiellen Gewichtsverlauf r’ eines mit NaCl impragnierten Me­ takaolins als Funktion der Temperatur. (Drahtnetzversuch; mo= 10 mg; a= eine Ordnung von n=l be- 2,5 TO4 K/min; p= 1 bar)______schreiben, somit bleibt der Desorptionsmechanismus erhalten. Das gleiche gilt auch fur die Einbindung des Natriums in den Metakaolin in Anwesenheit Wasserdampf. Die Reaktion (3) lauft bei den hohen Auf­ heizraten ab, wohingegen die Einbindung unter Luft (Reaktion (2)) nicht mehr zu beobachten ist und daher unter technischen Bedingungen nicht berucksichtigt werden muB.

Die kinetische Modellierung der Desorption und Einbindungsreakdonen erfolgte mittels eines

Modells von Juntgen und van r* [mg/g-KI Heek1 xmd soil am Beispiel der NaCl Desorption erlautert werden. Durch Anpassung einer Aus- gleichskurve an die TGA- MeBpunkte warden eine Akti- vierungsenergie von 239 kJ/mol und ein Frequenz-

faktor von 8,2 109 1/min bei Temperatur [°C1

einer Reaktionsordnung von Abbildung 7: Vergleich der gemessenen xmd kinetisch ausgewerteten n=l bestimmt. Mit diesen differentiellen Gewichtsverlaufe eines mit NaCl impregnierten Metakao­ Arrhenius-Parametem wurde lins als Fimktion der Temperatur. (TGA-Versuch: a=5 K/min; Drahtnetz- versuch: a=2.5-104 K/min------

1 Jiintgen, H.; van Heek, K.H.: Reaktionsblaufe unter nicht-isothermen Bedingungen. Fortschritte der chemischen Forschung 13 (1970) 603, Springer Verlag, Berlin

89 Seite 6 eine zweite Kurve fur Aufheizraten von 2,5-104 1/min berechnet. Der Ubereinstimmung zwi- schen dieser berechneten und der experimentellen Kurve, die in der Drahtnetzapparatur er- halten wurde, ist zufriedenstellend (siehe Abbildung 7). Gleiches gilt auch fur die Einbindung des Natriums.

Fur die beiden Primarreaktionen der Desorption und Einbindung wurden Modellrechnungen durchgefuhrt, die in Abbildung Alkaligehalt [g/g] Partikeltemperatur [°C] 8 gezeigt sind. Dabei wurde -- 1800 0,0010 angenommen, daJ3 ein Kohle- partikel linear mit einer Auf- 0,0008 -- Aufheizrate = 103 K/s -- 1400 Endtemperatur = 1600 °C -- 1200 heizrate von 105 K/min auf 0,0006 -- -- 1000 eine Endtemperatur von '- 800 0,0004 -- 1600 °C aufgeheizt wird. Die - - 600 Endtemperatur soil im weite- 0,0002 -400

-- 200 ren konstant bleiben. Weiter-

0,0000 -i hin wurde vereinfacht voraus- gesetzt, daJ3 keine Warme- oder Stofftransportlimitierung - 1800 0,0010 -- 1600 vorliegt, was in der Praxis nur Aufheizrate = 105 K/s 0,0008 - - Endtemperatur = 1800 °C -- 1400 teilweise zutrifft.

-- 1200 0,0006 - - - - 1000 In zwei Parametervariationen -- 800 0,0004 - - wurde nun zum einen die -600 —NaCl(Kohle) Endtemperatur von 1600 auf NaCl(g) —NaAlSi04(s) -- 200 1800 °C bei einer konstanten —Temperatur 0,0000 - Aufheizrate von 105 K/min erhoht und zum anderen die Aufheizrate von 105 K/min auf --1800 - 1600 104 K/min bei einer konstanten Aufheizrate = 104 K/s 0,0008 -- Endtemperatur = 1600 °C -- 1400 Endtemperatur von 1600 °C - - 1200 abgesenkt. 0,0006 -- -- 1000

0,0004 -- - - 600 Bei einer Endtemperatur von -- 400 0,0002 -- 1600 °C und einer Aufheizrate - - 200 von 10s K/min wird etwa die 0,0000 ——■—>—;—----1------==*- 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 Halfte des in der Kohle vor- Zeit[s] handenen NaCl in die Gaspha- Abbildung 8: EinfluB von Partikeltemperatur und Aufheizrate auf die se emitdert und die andere Freisetzung und Einbindung von NaCl als Funktion der Zeit (Modell­ Halfe eingebunden. Eine Erho- rechnungen) hung der Endtemperatur wirkt

90 Seite 7

sich negativ hinsichtlich der Alkaliemissionen aus; d.h. es gelangt mehr NaCl in die Gaspha- se. Hingegen bewirkt eine niedrigere Aufheizrate ein vermehrtes Einbinden der Alkalien.

Die durchgefuhrten Untersuchungen haben gezeigt, dab die Primarvorgange der wasserlosli- chen Alkalien durch zwei Einzelreaktionen beschrieben werden, was in dem folgenden Reak- tionsschema fur NaCl gezeigt ist. Das NaCl desorbiert einer- seits in die Gasphase, wo es durch weitere homogene und heterogene Sekundarreaktio- nen weiter reagieren kann, oder es wird bereits in der Anfangsphase der Verbren- nung in die in der Kohle ent- haltenen aziden Tonminerale Abbildung 9: Reaktionsschema zur Einbindung und Freisetzung von unter Abspaltung von HC1 NaCl wahrend der Verbrennung eingebunden.

Schlufifolgerimgen

Die Untersuchungen und Modellrechnungen haben gezeigt, dab die Freisetzung der wasser- loslichen Alkalien, was in deutschen Steinkohlen hauptsachlich NaCl ist, ein Desorptionsme- chanismus zugrunde liegt und die Vorstellung eines rein physikalischen Verdampfungspro- zesses verworfen werden icnsnvanrscnemiicn auon in recnmscnen/Frozessen ^ngewenuet ^ver- ijcatisohj gebundenen Alkalien istjpxtr^i gering und li^fjert praktiscrv .©fwm1...... kemejL Beitrag zti den Emissionen.

Die Einbindung der Alkalien findet unter Teilnahme reaktiver Sauerstoffspezies (H2O oder O2) statt, wobei aber nur die Reaktion mit Wasserdampf auch auf technische Prozesse uber- tragbar ist. Die Einbindung ist gegenuber der Desorption bei niedrigen Temperaturen kine- tisch und thermodynamisch bevorzugt. Metakaolin besitzt eine hohe Kapazitat und ein hohes Potential zu Einbindung von Alkalien, wobei die Fahigkeit zur Einbindung ganz entscheidend von den chemische Eigenschaften des Tonminerals abhangig ist. Mit steigender Basizitat nimmt das Einbindungspotential der Mineralsubstanz drastisch ab.

Das hat auch unmittelbar Konsequenzen fur die BrennstofFauswahl und Betriebsfuhrung in einem DKSF-Prozeb. Ein geeigneter Brennstoff hinsichtlich geringer Alkaliemissionen stellt eine Kohle dar, die einen mdglichst geringen Anteil an wasserloslichen Alkalien und einen

91 Seite 8

hohen Anteil azider Tonminerale aufweist.Jfa_Anbe 1mGfat^er^atsachj^aB=vogwiegend-die wasseridslichen Alkalien an den Emissionen beteiligt_sind. }jvargnKenngr6J3en wie der Ver- schmutzungsfaktor so zu^iodiGzierenrdaB^denwasserloslichen Alkalien ein groBeres Ge- t wichtzuk^e=9@s^5da#FSmd^^=Wmegartn^'zu finden?^

Zur Reduzierung der wasserloslichen Alkalien kann eine intensive Wasche innerhalb der naB- chemischen Aufbereitung nutzbringend sein. ]Aus Untersuchungen an Teilstromen der Aufbe- Teitung ist bekannt, daB die Stoffstrome, die intensiv xnit dem Waschwasser in Beruhrung kommen, einen geringeren Salzgehalt aufweisen als Teilstrome, die nicht mit dem Waschwas­ ser in Beruhrung kommen.

Bei der Betriebsfuhrung ware darauf zu achten, daB unnotig hohe Aufheizraten und Brenner- temperaturen vermieden werden, diese MaBnahme gehen einher mit MaBnahmen zur NOx Minderung.

Danksagung

Die Autoren danken fur die finanziellen Unterstutzung ihrer Arbeit durch das BMBF (Forder- Nr.: 0326819 E)

2 Winegartner, E.C.: Fouling and Slagging Parameters. ASME (1974), USA

92 3.3

Prof. Meyer, Technische Universitat Bergakademie Freiberg, Institut fur Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, Freiberg

Thermodynamik der Alkalifluchtigkeit bei der Druckkohlenstaubfeuerung und Vergleich mit MeBergebnissen

93 DE99G95 10

Thermodynamik der Alkalifluchtigkeit bei der DKSF und Vergleich mit MeRergebnissen

Druckflamm-Seminar

Essen, 17. November 1998

Prof. Dr.-lng. B. Meyer, Dipl.-lng. D. Hohne, Dipl.lng. A. Starke Professor fur Energieverfahrenstechnik und thermische Ruckstandsbehandlung

f Institut fur Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen

TU Bergakademie Freiberg

•w' ■■ Institut fdr e uwwjjt At ' / f-f i Enerpcvrefahrenstechnik und U ^ £ I I 1/ y/ Cbmitingaueurwesen

Realphasenmodellierung von Aschen und Schlacken

Thermodynamisches Gleichgewicht »—► Minimierung der Gibbs‘schen Enthalpie des Gesamtsystems

Realverhalten ii*—► Aktivitaten statt Konzentrationen in der festen und flussigen Phase

Anwendung »—► reale Stoffsysteme mit Wechseiwirkungen, z.B. metal solutions, Saure/Basen-Systeme, Aschen/Schlacken

z TU Bergakademie Freiberg wTtOMSCHC „ * UWVKSTAT Tin IastimtfBr # w / Enegicvcrfalsrenstedinikund / / V V_z Chemidnsenieurwescn

94 Aufbau des Gesamtmodells aus Teilsystemen

Teilsysteme

13 Mischphasen 1 „ideale“ Gasphase (254 Verbindungen) 12 „nicht ideale" kondensierte Phasen (35 Verbindungen) D 39 binare n 6 ternare Phasendiagramme Phasendiagramme z.B. CaO-MgO z.B. CaO - Al203 - Si02 Na20-Si02 Na20 - Si02 - Al203

108 stochiometrisch kondensierte Phasen (= 108 feste Verbindungen) ▼ Gesamtmodell

TU Bergakademie Freiberg 7-7—7 /—f Insritutf&r a UMVUltTAT ^ / W i Enogicvefahrcnticchnik und ill/ Vy Chenicingenicurwcsen

Modellierung binarer Systeme (1)

Mole fraction Sip,

0.0 02 0.4 0.6 0JB 10

Mit Chemsage berechnete Punkte

1441 (63)

Tridynute •"

Quartz

Binares Modell CaO-Si02 und Nach- TO Bergakademie Freiberg rechnung mit Chemsage 7-7-^ v—v InSitelffir * UNTVt*$nAT m, / AY t Encrpevcrfahrcnstcditokund 1 i J Qieaicingemcuruesen .

95 Modellierung binarer Systeme (2)

Berechnung mit Chemsage

System K2S04-MgS04

1200 A EETA-PHASE

6 K2M62(SM)5 H K2SM o uyamiE + HcSM

Hole faction MgSOi

r TU Bergakademie Freiberg Binares Chemsage-Modell K2S04-MgS0 4 W TlOtNSCht „

/ Ay / Eaerpevafabrengedgiik uad / / V Vm/ Cbcmidnscnicurwcsm

Gleichgewichts-Alkaliverteilung im Rauchgas

Kohle Spitsbergen

TU Bergakademie Freiberg Chemsage-Modellierung, 1= 1,3; p = 11 bar w txckmscm - T7”T y'-f InSitulfDr * UNMESrtAT / Ay Z Encrgicvafahrenacdmikuad 1 i J y y Cbcmictogcaiemwscn

96 Gleichgewichts-Chlorverteilung im Rauchgas

Chlor-Bilanz Kohle Spitsbergen

Chemsage-Modellierung, X = 1,3; p = 11 bar TU Bergakademie Freiberg W TIOWttCHt _ InstitutfBr e Un MCitAT m, Energicvcifahrcnstcchnik und IEC Cheraiangenicurwesen

Massenbilanz (DKSF, 4/98)

97 Natrium- und Kaliumbiianz (DKSF, 4/98)

Absenkung der Alkalikonzentrationen im Rauchgas

Ziei: Alkalikonzentrationen < 0,05 ppm(w)

Realisierung: 1. Stufe: primare Kontrolle (Ziel: 1 ppm(w))

Alkalieinbindung in der Brennkammer (Schlacke)

2. Stufe: Getterung (Ziel: 0,05 ppm(w))

Flugstrom Oder Festbett/Wanderbett

TO Bergakademie Freiberg X % ° w no««io« _ •y J ^ y —Y fdr ® UWNfttinAT «, / /V Z Eser^evtrfahrgag cchnikund ^ ^ a § J Cbcai'ciagcmcurwcsen **■*»**

98 Weitere thermodynamische Untersuchungen

^ Untersuchung von Detailprozessen der DKSF

- Brennkammer: • AtmosphareneinfluB • Brennstofizusammensetzung (Additive) • EinfluB der Schlackeseparation • Fluchtigkeitsverhalten weiterer Elemente (Si, Fe etc.)

- Wechselwirkungen mit der Ausmauerung (Speicherung/Entspeicherung) ..

Untersuchung von Gettermaterialien

TU Bergakademie Freiberg W TtCMNlSCMl „ Institutf&r * UNivi*$nAT ^ Energi everfahrcnseehruk und IEC Chenicingemcttfwcsai

99 3.4

Spliethoff, H., Bauer, C., Reichelt, T., Hein, K.R.G., Institutfur Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen, Universitat Stuttgart

Untersuchungen zum Abbrandverhalten und zur Alkalienfreisetzung an einem Druckflugstromreaktor

100 *DE 012895940*

Spliethoff, H., Bauer, C., Reichelt, T., Hein, K.R.G, Institut fiir Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen, Universitat Stuttgart

Untersuchungen zum Abbrandverhalten und zur Alkalifreisetzung an einem Druckflugstromreaktor ?

1 Einleitung

Fur kohlebasierte Kombiprozesse miissen aus festen Brennstoffen zunachst gasturbinen- vertragliche Brenn- oder HeiBgase erzeugt werden. Der umnittelbare Einsatz in einem Gas- und DampfturbinenprozeB ist mit den im Brennstoff enthaltenen Verunreinigungen bei dem derzeitigen Stand der Gasturbinentechnik nicht moglich. Im Vergleich zu dem erdgasgefeuerten GuD-ProzeB sind zusatzliche Verfahrenschritte notwendig. Zur Realisienmg eines GuD- Prozesses auf der Basis des Brennstoffes Kohle werden seit einiger Zeit und noch andauemd die en Prozesse untersucht, erprobt und zum Teil auch groBtechnisch eingesetzt,/siehe Bild 171/. ' > . ^2

a Kohle- Druckvergasung

mit nachgeschaltetem GUD-ProzeB (Kombi-ProzeB mit 1 Luflzeriegung ungefeuertem 2 Kohlevergasung Abhitzedampferzeuger) 3 Rohgas-DE 4 Gasreinigung Per" Per

b Druck-Kohlenstaub- feuerung

mit nachgeschaltetem GUD-ProzeB PCT:Pn,~2:1

c Druck-Wirbelschicht- feuerung

mit druckaufgeiadenem Dampferzeugerim Wasser-ZDampf-Kreislauf

1 Druckwirbelschicht- feuerung 2 Ascheabscheidung

d Indirekt gefeuerte Gasturbine

mit nachgeschaltetem GuD-ProzeB Per • Pqt — 1»3 ! 1

1 Hochtemperalunvamie- tauscher 2 Schmelzkammerfeuenmg mit Wasser/Dampf-KOhlung 3 Abhitzkessel tor Rauchgas/Luft Bild 1: GuD-Prozesse auf der Basis von Kohle

101 2

GuD-ProzeB mit integrierter Kohlevergasung, KV-GuD, (Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC) KombiprozeB mit DrackwirbelscMchtfeuerung, DWS, (Pressurized Fluidized Bed Combustion, PFBC) GuD-ProzeB mit Druckkohlenstaubfeuerung, DKS, (Direct Fired Combined Cycle, DFCC) Indirekt gefeuerter GuD-ProzeB mit Hochtemperaturwarmeiibertrager (Externally Fired Combined Cycle, EFCC)

Beim GuD-ProzeB mit integrierter Kohlevergasung wild der feste Brennstoff zunachst in einem Vergaser unter Warmezufuhr bei hohen Temperaturen in ein Brenngas umgewandelt und nach der notwendigen Gasreinigung in der Gasturbine verbrannt. Bei den verbrennungsbasierten Kombiprozessen Druckwirbelschicht- und Druckkohlenstaub ­ feuerung wird der Brennstoff in einer Feuerung vollstandig unter Druck verbrannt. Das heiBe Rauchgas muB vor Eintritt in die Gasturbine so gereinigt werden, daB es der erforderlichen Gasreinheit geniigt. Wahrend bei einem GuD-Kraftwerk mit integrierter Kohlevergasung der Brenngasstrom auch bei niedrigeren Temperaturen als die Vergasungstemperatur gereinigt werden kann, muB die Rauchgasreinigung der druckaufgeladenen Kohleverbrennungsprozesse bei Temperaturen oberhalb der Gasturbineneintrittstemperatur durchgefiihrt werden, da sonst ein starker Wirkungsgradverlust eintritt. Beim EFCC-ProzeB soli durch die Verwendung eines Hochtemperaturwarmetauschers die Problematik der HeiBgasreinigung rungangen werden. Die durch Verbrennung fieigesetzte Energie wird in einem Warmetauscher auf ein sauberes Gasturbinenarbeitsmedium ubertragen, das dann die Turbine beaufschlagt. c

*' Quelle Siemens * 2 Erganzungen -Erdgasbefeuerte- GUD-Kraftwerke

S"S 55

Konventionelle kohlestaubbefeuerte

600 800 1000 1200 Turbineneintrittstemperatur [°C] (bei Gasturbinen ISO-Definition) Bild 2: Wirkungsgrad von Kombiprozessen in Abhangigkeit der Gastur- bineneintrittstemperatur In Bild 2 werden die Wirkungsgrade der kohlebasierten Kombiprozesse untereinander in Abhangigkeit der Gasturbineneintrittstemperatur und mit dem konventionellen Dampfkraft- prozeB verglichen. Die Druckkohlenstaubfeuerung besitzt im Vergleich zu anderen fortschrittlichen Verfahren zur Kohleverstromung das hochste Wirkungsgradpotential. Eine Weiterentwicklung der

102 3

Gasturbinen auf hohere Turbineneintrittstemperaturen erschlieBen fur die Drackkohlenstaubfeuerung weiteres Potential. Im Gegensatz zu den konkurrierenden Verfahren Dampfkraftwerk mit fortgeschrittenen Dampfzustanden, Druckwirbelschichtfeuerung und Kohlevergasung, die entweder bereits verfiigbar sind oder die bereits groBtechnisch demonstriert werden, befindet sich das Verfahren der Druckkohlenstaubfeuenmg noch in der Entwicldung. Die Untersuchungen zur Realisierung des Konzeptes „direkt-kohlenstaubgefeuerter Gasturbinen" wurden und werden in den USA und in Deutschland durchgefiihrt /2-8A Bei alien Verfahren stellen die Staubabscheidung bei hohen Temperaturen und die Auswirkung gasformig anfallender Stoffe, die bei der Verbrennung mit hohen Temperaturen entstehen, ein Problem dar. Im wesentlichen sind dies die Gehalte an Alkalien der Asche. Sie kondensieren in der Gasturbine und fiihren im entsprechenden Temperaturbereich zu Ablagerungen auf den Gasturbinenschaufeln und zu Konrosionen. Die Konzepte unterscheiden sich in der Hohe der Gasturbineneintrittstemperatur, Bild 3. Die in den USA durchgefiihrten Arbeiten zielen auf niedrigere Gasturbineneintrittstemperaturen von etwa 1000 °C /2,3/. Die Reinigung der Rauchgase erfolgt entweder in oder unmittelbar nach der Brennkammer bei hohen Temperaturen oder im Bereich etwas oderhalb der Gasturbinen- eintrittstemperaturen nach Abkiihlung der Rauchgase durch Luft oder Wasserdampf. Das in Deutschland favorisierte Konzept sieht eine Rauchgasreinigung bei Temperaturen von 1400 bis 1500 °C mit einer fliissigen Ascheabscheidung vor, um diese dann ohne weitere Abkiihlung der Gasturbine zuzufuhren /4,5/. Vergleichsweise zur Staubabscheidung fester Aschepartikel weist die Fliissigschlackeabscheidung einen geringeren Entwicklungsstand auf. Die Entwicklungen konzentrieren sich zur Zeit auf den Schiittschichtfilter. Die geforderten Gasreinheiten werden noch nicht erfiillt.

Verdichter Turbine Generator Additiv

Prallab- Nachbrenn- scheider zone

Additiv Wasser 1000 °C Nachbrenn- Quench Allison zone

Additiv

Prallab- Nachbrenn- Westlinghouse scheider zone + Zvklon

. SchOtt- " Alkali-. . Asche flQssig -schicht abscheidung T >1400 °C Bild 3: Schaltungen von Druckkohlenstaubfeuerungen

103 4

2 Anlagenbeschreibung und Versuchsprogramm

Im Rahmen des Verbundprojektes DRUCKFLAMM warden am Institut fur Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen Untersuchungen zur Eignung von Kohle als Brennstoff fur den KombiprozeB mit Druckkohlenstaubfeuerung durchgefiihrt. Hierfiir steht ein druckaufgeladener und bis 1600 °C elektrisch beheizbarer Druckflugstromreaktor zur Verfiigung 191.

Versucltsanlage

Die Experimente warden an der druckaufgeladenen Versuchseinrichtung (DAVE) des IVD durchgefiihrt (Bild 4). Dieser Reaktor ist elektrisch beheizt und kann bei Temperaturen bis zu 1600 °C betrieben warden.

Ein Gemisch aus Luft und reinem Stickstoff (y 02 = 0 .. 21 Vol.-%) wird als Trager- gas in einem Vorwarmer auf Temperaturen zwischen 800 bis maximal 1600 °C aufge- heizt, in einer Diise mit dem Brennstoff gemischt und in den Reaktor eingeblasen. Hierdurch kbnnen sehr hohe Aufheizraten der Brennstoff- pardkel ahnlich wie in einer Staubfeuerung eingestellt warden (bis zu 105 K/s). Die Geometric der Mischdiise ist so ausgefiihrt, daB eine fiber dem Querschnitt gleichmaBi- ge Vermischung des Reak- tionsgases mit dem Brenn­ stoff erzielt wird.

Die eigentliche Reaktions- strecke besteht aus drei iden- tischen Segmenten von ins- Gasanalyse gesamt 2100 mm Lange und Ascheanalyse ist elektrisch beheizt mit , _ . _ . Wandtemperaturenzwischen Bild 4: Schema des Druckflugstromreaktors 800 und 1600 °C. Jedes Segment ist mit einer optischen MeBebene mit vier Viewports (Anordnung 079071807215°) ausgestattet. Diese MeBebenen bieten die Moglichkeit, die Brennstoffumsatzvorgange mit optischen MeBtechniken (z.B. Pyrometrie, Fluoreszenzspektroskopie) zu erfassen.

104 5

Die wesentlichen Parameter Temperatur, Druck und Gasatmosphare sind voneinander un- abhangig einstellbar, die Auflosung der Verweilzeit erfolgt fiber eine stufenlos verstellbare Kollektorlanze.

Mefitechnik

Feststoff- und Gasproben werden mit einer stufenlos vertikal verfahrbaren Kollektorlanze kontinuierlich abgezogen. Der Kollektor besteht aus einem wassergektihlten Rohr, durch das die Proben aus dem Rauchgasstrom entnommen, mit einem Ktihlgas (Stickstoff) gequencht und fiber einen Partikelfilter geleitet werden. Das Gasanalysesystem umfafit NDIR-Analysato- ren fiir C02, CO, S02 und N20, Chemilumineszenz-Analysatoren fxir NO und N02, einen paramagnetischen Analysator fiir 02 und einen Flammenionisationsdetektor fiir CH4 und Kohlenwasserstoffe bis C3.

Zur bertihrungslosen Beobachtung der Partikel wahrend des Verbrennungsvorgangs eignet sich die 2-Farb-Pyrometrie, die durch Erfassung der Strahlungsintensitat zweier ausgewahlter Wellenlangen aus dem Strahlungsspektrum eines Partikels die simultane Bestimmung der Oberflachentemperatur und der Partikelgrofie ermoglicht Die im Rahmen dieses Vorhabens angewandte Mefitechnik ist eine Entwicklung der Tampere University of Technology (Department of Physics/Plasma Technology Laboratory), die mit Anderungen auch am Druckflugstromreaktor des IVD eingesetzt wurde. Der Aufbau und das Prinzip der auf den Druckflugstromreaktor abgestimmten Mefitechnik ist in Bild 5 anschaulich dargestellt. Voraussetzung fiir die Dejektion eines gultigen, fiir die weitere Auswertung geeigneten Signals ist das Passieren eines einzelnen Partikels durch das Blickfeld der Optik. Dies wird durch die Anordnung von zwei konzen- trischen Mefivolumina erreicht. Durch eine geeignete Optik wird das innere Mefivolumen auf das stimseitige Ende der sogenannten Primarader und das aufiere Mefivolumen auf die konzen- trisch angeordneten Referenzadem ab- gebildet. Der Signalimpuls der Prima­ rader wird in der 2-Farb-Pyrometer- Detektorbox spektral in zwei schmal- bandige Intensitatssignale zerlegt und in elektrische Signale gewandelt Dar- aus wird die Oberflachentemperatur und die Grofie eines Partikels berech- net, wenn sichergestellt ist, dafi das Partikel mit seiner gesamten projizier- Partikeltemperatur: PartikelgroBe: ten Flache das Blickfeld der Primarader Bild 5: Prinzip der Zwei-Farben-Pyrometrie zur durchfliegt. Diese Uberprufung erfolgt Partikeltemperatur- und -grofienmessung durch einen Vergleich der beiden Refe-

105 6 renzsignalpeaks, die sich bei Eintritt und Austritt des Partikels in das bzw. aus dem Blickfeld ergeben /10/.

Fiir die Erfassung von Alkalienverbindungen im Rauchgas einer Druckkohlenstaubfeuerung wurde die vom Physikalisch-Chemischen Institut der Universitat Heidelberg (PCI) entwickelte Excimer-Laser-Induzierte Fluoreszenzspektroskopie (ELIF) zur on-line und in-situ Messung gasfbrmiger Alkaliverbindungen im Rauchgas eingesetzt und angepaBt, Bild 6. Bei der Exci- merlaser induzierte Fragmentierungsfluoreszenz MeBtechnik (ELIF) handelt es sich urn eine lasergestiitzte MeBmethode zur selektiven Bestinnnung gasfbrmiger Alkalispezies /11,12/. Niedermolekulare Alkaliverbindungen, insbesondere Halogenide aber auch Hydroxide und

MeBdatenerfassung und Steuerung

ArF - Excimeriaser

2 - Kanal Detektor ^------[ Na

A KK) IX

Bild 6: Aufbau der ELIF-MeBtechnik am Druckflugstromreaktor

Oxide, sind in elektronisch angeregten Zustanden sehr schwach gebunden oder repulsiv. Die Absorption eines Photons hinreichender Energie fuhrt unmittelbar zur Dissoziation in neutrale Fragmente. Diese Eigenschaft wird bei der ELIF-MeBtechnik ausgenutzt. Das Verbrennungsgas mit den darin enthaltenen gasfbrmigen Alkaliverbindungen wird einem UV-Laserstrahl ausgesetzt. Die Wellenlange des verwendeten Lasers (193 ran) ist dabei so gewahlt, daB durch die Absorption eines Photons die Alkaliverbindung dissoziiert und zusatz- lich eine elektronische Anregung des entstehenden Alkaliatoms erreicht wird. Die angeregten Alkaliatome relaxieren in ihren Grundzustand unter Aussendung von Fluoreszenzlicht. Die Mensitat des Fluoreszenzlichtes dient dabei als quantitatives MaB fur die Alkaliatomkonzen- tration im MeBvolumen. Bei den von den Photodetektoren empfangenen Signalen handelt es sich ran Lichtintensitaten, die einer entsprechenden Natrium- oder Kahumatomkonzentration proportional sind. Prinzipiell konnen diese Alkaliatome aus verschiedenen, niedermolekularen gasfbrmigen Verbindungen stammen, bevor sie durch die Laserstrahlung photolytisch dissoziiert und elektronisch angeregt werden. Eine eindeutige Zuordmmg von z.B. Chloriden, Hydroxiden und Oxiden zu bestimmten Anteilen im MeBsignal ist nicht mbglich. Des weiteren sind Signal- anteile der genannten Spezies aufgrund ihrer unterschiedhchen Dissoziationsenergien mit

106 7

unterschiedlicher Wichtung im Gesamtsignal vertreten. Mit abnehmender Wichtung sind dies Chloride, Hydroxide und Oxide. Aufgrund der deutlich hoheren Dissoziationsenergie der Alkalisulfate, kann der photolytische Dissoziations- und AnregungsprozeB fur Sulfate bei der verwendeten Wellenlange weitgehend ausgeschlossen werden. Alkalisulfate werden also mit dem bestehenden MeBaufbau von ELIF nicht mitgemessen.

Versuchsprogramm

Das im Rahmen des Projektes geplante Versuchsprogramm umfaBt Versuche in differentieller und integrator Betriebsweise. Bei der differentiellen Betriebsweise herrschen durch Einstellung einer hohen Luftzahl anna- hemd konstante Sauerstoffkonzentrationen entlang der Reaktorlange. Der eingestellte Brenn- stoffinassenstrom liegt bei ca. 100 g/h. Ziel dieser Grundlagemmtersuchungen ist es , den EinfluB des Druckes auf das Abbrandverhalten, das Verhalten der Partikel sowie die Alkalien- freisetzung fur verschiedene Kohlen zu ermitteln. Die Ergebnisse werden zur Validierung mathematischer Modelle genutzt und erlauben auf diesem Wege eine Ubertragung der Ergeb ­ nisse auf den Verbrennungsvorgang in GroBanlagen.

Bei der integralen Fahrweise werden wie in einem realen VerbrenmmgsprozeB leicht iiber- stochiometrische Luftverhaltnisse eingestellt. Diese Versuche erlauben eine unmittelbare Ubertragung auf reale Verbrennungsprozesse, da bier der Verbrennungsweg komplett abge- bildet wird. Durch die Beheizung des Reaktors kann die Temperatur entlang des Verbrennungs- weges beeinfluBt werden. Schwerpunkt des bei dieser Betriebsweise vorgesehenen Versuchs- programmes sind Untersuchungen zur NOx-Minderung unter Druck.

Parameter

Brennstoff Garzweiler, Hambach, Gdttelbom, Middelburg, Ashland, Ensdorf, Spitzbergen Druck 3/5/10/15 bar Temperatur 1000/1200/1400/1500 °c 02-Konzentration 2,0 / 4,0 / 8,0 Vol.-% Verweilzeit 150/250/400/1000 ms

Tabelle 1: Bisher durchgefuhrtes Versuchsprogramm

Bestandteile fi.roh] C H O N S Cfi, F A W Garzweiler 60,0 4,4 21,7 0,6 0,5 39,1 48,1 3,7 9,1 Gottelborn 68,7 4,4 11,7 1,3 1,4 55,0 32,1 8,5 4,4 Ensdorf 74,9 4,7 9,0 1,7 1,1 59,9 31,5 6,1" 2,5

Tabelle 2: Analysedaten der verwendeten Kohlen

bn Rahmen des bisherigen Programms wurden ausschlieBlich Versuche in differentieller

107 8

Fahrweise durchgefuhrt, deren Ergebnisse exemplarisch dargestellt werden. Die Parameter der bisher durchgefuhrten Versuche sind in Tabelle 2 zusammengestellt, die Analysen der in den nachfolgend gezeigten Ergebnissen verwendeten Kohlen sind in Tabelle 1 angegeben.

Bin Schwerpunkt des Projektes liegt dabei Tg=1473 K, p tot =0.3 MPa, 12 vol.% O 2, t=250 ms auf der Application verschiedener fort- schrittlicher MeBtecbniken zur Messung von Partikeltemperaturen und Konzentra- + Regressionsgerade tionen von Alkalienverbindungen.

Separationskriterium 3 Versuchsergebnisse zum Abbrand- und Partikelverhalten I-V&-* Detektionslimit L_ 1300 Zur Ermittlimg des Partikelverhaltens und 100 200 300 400 500 des Koksabbrandverlaufes wurden bisher DP [pm] drei Kohlen unterschiedlichen Fliichtigen- Bild 7: Gemessene Partikeltemperaturen und gehaltes eingesetzt. Hierzu wurde der Ein- KomgroBen fluB wesenthcher Parameter wie Druck, Sauerstoffangebot und Temperatur auf die PartikelgroBe, Koksabbrand und Verweil- zeit ermittelt. Zur on-line Messung von Partikeloberflachentemperaturen und Parti- kelgrdBen wurde ein 2-Farben-Pyrometer eingesetzt. Die nachfolgend dargestellten Ergebnisse zeigen exemplarisch den Ein- fluB der Parameter auf den Verbrennungs- ablauf. Die Ergebnisse sind Bestandteil eines umfangreichen, noch laufenden Ver- suchsprogrammes.

Die mittels 2-Farben-Pyrometer am oberen p [barabs ] Sichtfenster gemessenen Partikeltempera­ Bild 8 : EinfluB des Gesamtdruckes turen sind in Bild 7 in Abhangigkeit der ebenfalls gemessenen KomgroBe darge ­ stellt. Zu erkennen sind zwei Punktewol- ken fur brennende und ausgebrannte Parti- 5 bar. kel nach einer Verweilzeit von 250 ms. TG= 1400 °C 10 bar Wahrend die Temperatur der ausgebrann- ten Partikel die Temperatur der umgeben- 1500 -- den Gasstromung von 1200 °C angenom- men haben, weisen die brennenden Braun- kohlepartikel maximale Werte bis 1900 °C To = 1200 °c auf. Zur weiteren Auswertung und Korre- lation mit anderen Versuchsparametem werden ausschlieBlich brennende Partikel beriicksichtigt.

Bild 9: EinfluB des Sauerstoffpartialdruckes

108 9

250 ms In Bild 8 ist der Einflufi des Gesamtdruk- kes bei konstantem Sauerstoffpartialdruck

1750 - - und in Bild 9 der Einflufi des Sauerstoff- Garzwcilcr partialdruckes bei konstantem Gesamt- druck auf die gemessene Partikeltempera- tur fur die Kohle Ensdorf dargestellt. Zu 1500 - - erkennen ist ein geringer Einflufi des Ge- samtdruckes und ein starker Einflufi des Sauerstoffpartialdruckes. Die gleiche Ab- 1250 -- hangigkeit wurde auch fur die Braunkohle Variation fiber Jq2 Garzweiler ermittelt, siehe Bild 10. Variation iiber p Die Partikeltemperatur nimmt mit stei- gender Gastemperatur und zunehmendem Fltichtigengehalt der Kohle zu, siehe Bild po 2 [bar] 11. Die Differenz zwischen Partikel- und Bild 10: Einflufi des Gesamt- und 02- umgebender Gastemperatur, die furhoch- Partialdruckes fur die Braunkohle Garzweiler fltichtige Braunkohlen bis zu 600 °C be- tragen kann, sinkt mit steigender Gastem­

Garzweiler peratur ab. -- 500 1750 - - Aus den experimentellen Daten wurde GOttelbom --400 entsprechend dem Koksabbrandmodell nach Essenhigh 713/ die Reaktivitat (Bild -•300 12) bestimmt. hn beobachteten Tempera- Ensdorf turbereich (1000 bis 1500 °C) ist der -200 Koksabbrand durch chemische Reaktion, 1250 • • insbesondere durch die Desorption der

-■ 100 Reaktionsprodukte von der aktiven Ober------Tp-T, flache begrenzt. Grenzschicht- und Poren- diffusion spielen eine untergeordnete Rol- le. Ein Vergleich zwischen experimentell To [°C] ermittelten und berechneten Ausbrand- kurven zeigt eine gute Ubereinstimmung Bild 11: Einflufi der Kohle (Bild 13). Angaben zu dem mathemati- IE-02 schen Modell sind in 191 zu finden.

Das Grdfienanderungsverhalten ist stark von der Kohleart abhangig, siehe Bild 14. Die Steinkohle Ensdorf zeigt eine deutli- che Zerkleinerung der Partikel bei hohe- 2 IE-03 ren Temperaturen, sehr wahrscheinlich durch Zerplatzen. Diese Vermutung mufi jedoch noch durch weiterfuhrende opti- sche Analysen (REM) unterstutzt werden, die bisher angewandte Lichtmikroskopie gab hieriiber keinen eindeutigen Auf- 0,500 0,600 0,700 0,800 0,900 schlufi. 1000/Tp [K"1] Anders liegt der Fall bei der Steinkohle Bild 12: Reaktivitat der untersuchten Kohlen

109 10

Gottelbom, die ein ausgepragtes Blahverhalten aufweist und deren KomabbrandprozeB eine Skeletthiille zuriicklaBt. Der Unterschied zwi- schen diesen beiden ansonsten sehr ahnlichen Steinkohlen ist vor allem durch der Zusammen- 15 bar, setzung der Mineralphase zu erklaren. Ein we- 10 bar 5 bar. sentliches Indiz hierfur ist, daJ3 Gottelbom mit etwa 1350 °C einen deutlich hoheren Asche- schmelzpunkt aufweist als Ensdorf mit nur etwa 400 600 1180 °C. Die Braunkohle Garzweiler zeigt ein Verweilzeit [ms] deutliches Zerkleinerungsverhalten. Bild 13: Gemessener und berechneter Ausbrandverlauf Zur Vertiefung und zur Ubertragung der bisher erzielten Ergebnisse sind weitere Messungen und Analysen notwendig. Hierbei kommt der Erweiterung des zu untersuchenden Brenn- stoffbandes und weiterfiihrenden Laboranaly- 1400eC sen (z.B. REM, BET-Oberflachenanalyse) we- 1000°c Rohkohle sentliche Bedeutung zu. Aus der Variation der

20 -- BrennstofFe sollen Leitgrofien fur das Partikel- verhalten (Aschezusammensetzung, Fluchti- 75 100 125 150 200 250 300 350 400 gengehalt, etc.) abgeleitet werden, wahrend dP-Klasse [pm] aus den Laboranalysen zusatzliche Informatio- nen zum Ablauf der Koksabbrandprozesse er- wartet werden.

80 -- 1400 »C 60 -- 4 Versuchsergebnisse zur Alkalifreisetzung

Rohkohle In vorlaufenden Untersuchungen zur Alkali­ freisetzung an einer atmospharischen Brenn- kammer konnte eine starke Verweilzeitabhan- 25 50 75 100 125 150 200 250 300 350 400

dP-KIasse [pm] gigkeit der Alkaliemissionen festgestellt wer­ den. Die Brennkammer und Anordnung der VersuchsmeBtechnik ist in /14/ beschrieben. Der eingestellte Verweilzeitbereich lag zwi- schen 4-15 Sekunden. Mit zunehmender Ver­ 1400°C 60 -- weilzeit zeigt sich eine starke Abnahme der 1000 °C Alkalikonzentration. Dieses Verhalten ist auf 40 ■■ •Rohkohle eine heterogene Einbindungsreaktion der gas- 20 •• formigen Alkaliverbindungen in die minerali- sche Matrix der Aschepartikel zuriickzufuhren. 25 50 75 100 125 150 200 250 300 350 400 Bild 15 zeigt dies am Beispiel der Kohlen dp-Klasse [pm] Spitzbergen und Ensdorf bei 1300°C.

Bild 14: Gemessene KorngroBen t>^i weiteren wurden mit Ton dotierte Kohlen verschiedenen Temperaturen flir GSttelbom eingesetzt Bei identischen Verbrennungsbe- (oben), Ensdorf und Garzweiler (unten) ber 3 stellt sich eine deutliche Abnahme bar, 250 ms und 8 % 02

110 11 Spitzbergen 1300°C, 1 bar 500 der Alkaliemissionen im Verhaltnis zu den 400 Natrium Emissionen der undotierten Kohle. Uber einen Kalium Temperaturbereich von 1100 - 1400°C konnte 1 300 eine gute Einbindungswirkung nachgewiesen N * uu werden, die vor allem im unteren Temperatur­ .•§ bereich von 1100°C besonders ausgepragt ist. re 100 Offensichtlich wirken die Aluminium- und Sili- 0 ziumverbindungen des Tons als “Getter” fur die 0 5 10 15 20 gasfbrmigen Alkaliverbindmgen des Rauchga- Verweilzeit [s] ses. Ensdorf 1300°C, 1bar In technischen Verbrenmmgsanlagen treten die 6000 ProzeBgroBen Temperatur und Verweilzeit als I 5000 gekoppelte EinfluBparameter der Freisetzung 4000 gasfdrmiger Alkalien auf und lassen sich meist

3000 nicht unterscheiden. Eine Erhohung der Verbren- nungstemperatur vergroBert das Gasvolumen 2000 und verringert die Verweilzeit. Im Rahmen der 1000 durchgefuhrten Messungen sollte gezielt der Ein- 0 fluB von Verweilzeit und Temperatur separiert 0 5 10 15 20 und einzeln quantifiziert werden. In Bild 16 ist Verweilzeit [s] der TemperatureinfluB auf die Natriumemission Bild 15: Konzentration gasfdrmiger fur die beiden Kohlen Spitzbergen und Ensdorf Alkalien in Abhangigkeit der Verweilzeit fur vier verschiedene Verweilzeiten aufgetragen. Wahrend fur die Kohle Spitzbergen kein eindeu- Ensdorf, 1bar tiger TemperatureinfluB erkenribar ist, konnte fur Ensdorf eine deutliche Erhohung der Natrium- emission fiber der Verbrennungstemperatur ge- funden werden. Des weiteren ist fur Ensdorf eine Zunahme der Temperaturabhangigkeit bei ktir- zeren Verweilzeiten zu beobachten. Dieses kann auf die Temperatur- und Konzentrationsabhan- gigkeit der heterogenen Einbindungsreaktion der gasfbrmigen Alkaliverbindungen in die minerali- 1100 1200 1300 1400 sche Matrix zuriickgefuhrt werden, Im Falle der Reaktionsrohrtemperatur [°C] Kohle Spitzbergen konnte eine solche Abhangig ­ Spitzbergen, 1bar keit nicht eindeutig festgestellt werden. Die Al- 400 kalikonzentrationen im Rauchgas liegen fur 6s I 8s Spitzbergen fiber eine GroBenordnung unter der 300 10s von Ensdorf. Es wird angenommen, daB in die- 12 s sem Fall die Einbindungsreaktion - mehr als bei 200 Ensdorf - durch Diffussionswiderstande be- grenzt wird. Eine abschlieBende Eiklarung kann 100 jedoch noch nicht gegeben werden. re Das an der atmospharischen Brennkammer fest- Z 0 gestellte Verhalten der Alkaliemission wurde 1100 1200 1300 Reaktionsrohrtemperatur [°C] auch in Untersuchungen an dem Druckflug- stromreaktor festgestellt. Bild 16: Temperaturabhangigkeit der Natriumfreisetzung

111 12

Dariiber hinaus warden an dem Druck- flugstromreaktor umfangreiche Untersu- 3000 chungen zum Einflufi der Ausgangskon- 2500 zentration und Einbindungsform der Al- — 2000 kalien in der Kohlematrix auf die Emis­ 1500 sion wahrend des Verbrennungsvorgan-

1000 ges durchgefiihrt. Dafiir wurde die undo- tierte Steinkohle Ensdorf als Referenz- 500 kohle verwendet. Durch Dotierung de- Ensdorf jSnierter Mengen an AJkalitracermaterial 0.017 Mol Ensdorf + Ensdorf + sollte der Einflufi verschiedener Einbin- Nad'IOOg 0-^Mol g 0.0085 Mol K2SO4/100g dungsarten als auch der EinfluB von vari- ierenden Schwefel- bzw. Chlorgehalten Bild 17: Alkaliemissionen dotierter Brennstoffe bei untersucht werden. Bild 17 zeigt die Ge- 1400 °C und 3,6 bar genuberstellung der Alkaliemissionen von undotierter Ensdorf-Kohle mit jeweils 0,0017 Mol NabzwK/kg bei 1400°C und 3,6 bar. Die Dotierung von Ensdorf mit NaCl und Natriumacetat zeigt sich in einer deutlichen Erhohung der Natrium- emissionen, im Falle der NaCl-Dotierung auch in einer Erhohung der Konzentration gasformigen Kahums. Bei der Dotierung von Ensdorf mit K2S04 konnte eine leichte Erhohung der Kaliumkon- zentration im Abgas festgestellt werden. Die ebenfalls zu beobachtende, leichte Erhohung der Natriumkonzentration liegt im Bereich der MeBgenauigkeit und ist deshalb nicht interpretierbar.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daB vor allem das Vorliegen der Alkalien in chlori- discher und organischer Form zu einer Erhohung der Alkalifluchtigkeit fiihrt. Die in Form von Sulfaten vorhegenden Alkalien werden jedoch nur in geringem MaBe in die Gasphase freigesetzt. Fur die Ubertragung der bisherigen MeBergebnisse und die Formulierung allgemeingultiger Charak- terisierungsmethoden zur Alkalienfreisetzung sind weitere Messungen an unterschiedlichen Brenn- stoffen notig. Bin groBes Potential hat dabei die gezielte Dotierung von Kohlen zur systematischen Untersuchung des Einflusses aller in Kohlen vorkommenden Mineralien auf die Eiribindung bzw. Freisetzung gasfbimiger Alkaliverbindungen. Weitere wichtige Informationen kdnnen aus der Verteilung der Alkahverbindungen in der Gasphase (z.B. Chloride, Hydroxide, ...) gezogen werden, da nicht alle Verbindungen gleichermaBen schad- hch fur die Entspannung des Rauchgases in einer nachgeschalteten Gasturbine sind. Eine Weiter- entwicklung der ELIF-Mefitechnik zur Diskriminierung von gasformigen Alkahverbindungen konnte dazu einen wichtigen Beitrag leisten.

Zusammenfassung

Untersuchungen des Verbrennungsablaufes und der Alkalifreisetzung erfolgten bisher ausschheBhch in differentieller Betriebsweise des Reaktors. Zur Ermittlung des Partikelverhaltens und des Koks- abbrandverlaufes wurden bisher drei Kohlen unterschiedhchen Fluchtigengehaltes eingesetzt. In einem umfangreichen Versuchsprogramm wurde der EinfluB der Parameter Druck, Sauerstoff- angebot und Temperatur bestimmt Zur on-line Messung von Partikeloberflachentemperaturen und PartikelgroBen wurde ein 2-Farben-Pyrometer eingesetzt. Den groBten EinfluB auf die Partikeltemperatur weist der Sauerstof^partialdruck bei konstantem Gesamtdmck auf, wahrend der Gesamtdruck bei konstantem Sauerstoffpartialdruck nur einen geringen EinfluB besitzt. Von Bedeutung sind dariiber hinaus die Gastemperatur und die Kohleart.

112 13

Fur unterscMedliche Kohlen wurde sowohl eine Komzerkleinenmg als auch eine KomvergrdBerung beobachtet. Durch Adaption einer in-situ LaserfluoreszenzmeBtechnik an dem Drackflugstromreaktor des IVD warden die absoluten Konzentrationen von Natrium- und Kaliumchloriden im heiBen Rauchgas bestimmt. Die Untersuchungen ergaben einerseits eine deutiiche Abhangigkeit der Alkaliemissionen von den Brennstoffparametem (Alkaliengehalt der Kohle, Bindungsart der Alkalien) und der Verbrennungstemperatur. Dabei wurde erstmals im relevanten Temperaturbereich einer Druckkoh- lenstaubfeuerung von bis zu 1500°C gemessen. Die Abhangigkeit der Alkaliemissionen vom Verbrennungsdmck und der Partikeltemperatur konnte qualitativ durch Einsatz eines 2-Farben- Pyrometers bestimmt werden.

Ill Bohm, H: Fossilbefeuerte Kraftwerke. Stand, Entwicklungstendenzen. VGB Kraftwerkstechnik 74 (1994), Nr. 3, S. 173-186 111 Parsons, E.L., Byam, J.W.: Overview of Gas Turbine Coal-Fired Combustor Concepts. ASME- Paper 89-GT-252. Gas Turbine and Aeroengine Congress, Toronto, 1989 /3/ Thambimuthu, K.V.: Gas Cleaning for Advanced Coal-Based Power Generation. IEA Coal Research, London, 1993 141 Hannes, K.: Entwicklungsprogramm Dmckkohlenstaubfeuerung. BMBF-Statusseminar HeiBgasreinigung, Karlsruhe, 1996 15/ Hannes, K.: Kohlenstaub-Druckverbrennung. Entwicklimgsstand und Anforderungen des Prozesses an die Verbrenmmgsfuhrung. VGB-Kraftwerkstechnik 77 (1997), Nr. 5, S. 393-400 161 Weber, E., Pavone, D.: Entwicklungslinien der Gasreinigung bei hochsten Gastemperaturen. Symposium Emissionsminderung mit dem Schwerpunkt Hochtemperatur- und Hochdruck- Gasreinigung, Essen, 1990 111 Weber, E., Hubner, K., Pavone, D., Schulz, R, Wiggers, H.: Entwicldungsergebnisse bei der Dmckkohlenstaubfeuerung. VGB Kraftwerkstechnik 73 (1993), Nr. 7, S. 602-607 IS/ Hubner, K., Pavone, D., Schmidt, D., Weber, E.: Moglichkeiten der Gasreinigung im Tem­ peraturbereich oberhalb von 1000 °C. VGB Kraftwerkstechnik 68 (1988), Nr. 9, S. 931-935 19/ Bauer, C., Nagel, H., Reichelt, T., SpliethofF H., Hein, K.RG.: Anwendungsgerichtete Grund- lagenuntersuchungen zur Umsetzung fester Brennstoffe unter Dmck. AbschluBbericht des BMBF-Proj ektes FKZ 0326767 /10/ T. Reichelt, TJoutsenoja, H. SplieihofiF K.RG. Hein, R Hemberg: Characterization ofbuming char particles under pressurized conditions by simultaneous in-situ measurement of surface temperature and size. 27th International Symposium on Combustion, Boulder/USA 1998 /11/ Greger, F. Hartinger, K. T. Mohkhouse, P. B. Wolfram, J.: In-situ alkali concentration measu­ rements in a pressurized fluidized-bed coal combustor by Excimer Laser Induced Fragmenta ­ tion Fluorescence. 26th Symposium (International) on Combustion, Naples/Italy 1996 /12/ Reichelt, T., Hartinger, K.T., SpliethofF, H., Hein, K.RG., Monkhouse, P.B., Wolfrum, J.: Untersuchungen zur Freisetzung gasfbrmiger Alkaliverbindungen bei der Kohleverbrennung. 10. Int. VGB-Konferenz Forschung in der Kraftwerkstechnik, Essen, 10. -11. Februar 1998 /13/ Essenhigh, RH.: An integration path for the carbon-oxygen reaction with internal reaction. Proc. 22nd Symposium (Int.) on Combustion, pp 89-96, 1988 1141 T. Reichelt, K.T. Hartinger, H. SpliethofF K.RG. Hein, P. Monkhouse, J. Wolfrum: Release of Alkali Vapour during Coal Combustion in a semi-technical Entrained Flow Reactor. 9th International Conference on Coal Science, 7-12 September 1997, Essen, Germany

113 114 3.5

Michael Enders & Andrew Putnis, Institut fur Mineralogie; Westfalische Wilhelms-Universitat, Munster

Mineralogische Untersuchungen von Schlacken und Stauben aus der Druckkohlenstaubfeuerung

115 1 Mineralogische Untersuchungen von Schlackeri und Stauben aus der Druckkohlenstaubfeuerung

DE99G9508 Michael Enders & Andrew Putins Institut fur Mineralogie der Westfalischen Wilhelms-Universitat Corrensstr. 24,48149 Munster

Zusammenfassung Modeme Kohleverbrennungstechnik bei erhohtem Wirkungsgrad verlangt die Entwicklung einer HeiBgasreinigung. Die HeiBgasreinigimg soil sowohl partikulare als auch verfliichtigte Komponenten aus dem Rauchgas abscheiden. In der vorliegenden Untersuchung wurden Schlacken, Rauchgasfilter und Rauchgassonden aus der DCSF- Pilotanlage mineralogisch-chemisch charakterisiert. Die abgeschiedenen Schlacken aus Brennkammer und Flussigabscheider bestehen aus Alumino-Silikat-Glas. Die Ablagerungen auf Rauchgasfiltem bestehen vorwiegend aus kristallinen Sulfaten. Nach mikrochemischen Untersuchungen sind je ca. 50% der Ablagerungen auf den Filtem unvollstandig abgeschiedenen Schlacken und Kondensaten zuzuordnen. Die Condensation der Sulfate erfolgt im Temperaturbereich fur den Turbinenbetrieb. Fur den Turbinenbetrieb muB die Emission von Alkalien und Schwefeloxiden vor der Turbine reduziert werden. Hierzu miissen Moglichkeiten zur Einbindung von Alkalien in die Schlacke, die Kiistallisation von alkalihaltigen Hochtemperaturmineralen und die Nutzung von Hochtemperaturmineralen als Absorbermaterialen gezielt untersucht werden.

1. Einfuhrung

Die Wirkungsgrade modemer Cohlekraftwerke kdnnen fiber die Combination von DampfkraftprozeB und GasturbinenprozeB erhoht werden. Der Betrieb einer Gasturbine mit Rauchgasen aus der Cohlenstaubfeuerung verlangt eine effiziente Rauchgasreinigung bei Temperaturen von 1400 - 1500 °C. Verunreinigungen im Rauchgas konnen die Gasturbine durch Erosion, Corrosion und mechanische Beeinflussung schadigen. Die Entwicklung der HeiBgasreinigung ist essentiell fur die Druckkohlenstaubfeuerung (DCSF). Die HeiBgasreinigung hat zwei Aufgaben. Sie soil effizient Schlackepartikel und Flugaschen aus dem Rauchgas abtrennen und zusatzlich gasformige Bestandteile aus dem Rauchgas abscheiden, die bei niedrigeren Temperaturen kondensieren. Die Optimierung der HeiBgasreinigung erfordert die mineralogische und chemische Charakterisierung der partikularen und fluchtigen Bestandteile im Rauchgas. Die Bestimmung der Mineralphasen im Rauchgas ermoglicht die Bestimmung der Taupunkte einzelner Mineralphasen und damit die Festlegung von Temperaturbereichen fur AbscheidungsmaBnahmen und denTurbinenbetrieb In der vorliegenden Studie wurden Abscheideprodukte aus verschiedenen Bereichen der DCSF- Pilotanlage beprobt (Abb. 1). Die Probennahme an verschiedenen Orten der DCSF-Pilotanlage

116 2 ermoglichte ausgehend von der veraschten Rohkohle als Ausgangsmaterial die Anderung der partikularen Bestandteile im Rauchgas abhangig vom Ort und damit der Temperatur zu erfassen. Von besonderer Bedeutung ist die Quarzglassonde zur Rauchgasbeprobung. Die Ablagerungen auf ihrer Innenseite geben ein vollstandiges Profil der mineralogischen Zusammensetzung von 1200 °C - 600 °C wieder. Die Ablagerungen bilden damit die im Temperaturbereich des Turbinenbetriebs zu erwartenden Phasenreaktionen ab. Alle Proben wurden hinsichtlich ihrer mineralogisch-chemischen Zusammensetzung mit elektronenoptischen, mikrochemischen und diffraktometrischen Methoden charakterisiert. Von besonderer Bedeutung ist dabei neben der chemischen Analytik die Untersuchung des Phasenbestands, da nur die Kenntnis der entstehenden kristallinen Komponenten AufschluB iiber

Taupunkte und Phasenreaktionen in Schlacken und Stauben geben kann.

Filter mit Ablagerungen

veraschte Kohle

Quarzglassonde

Gasturbine

Schlacke Schlacke Brennkammer Abscheider

Abb. 1: Schemaskizze mit den Probennabmeorten in der DKSF-Pilotanlage

2. Methodik

Die eingesetzten analytischen Untersuchungsverfahren umfassen konventionelle Rontgen- fluoreszenzanalyse (RFA), hochauflosende Rasterelektronenmikroskopie (FE-REM), quantitative

Rdntgenmikrobereichsanalyse (EPMA, Mikrosonde) und Rontgenbeugungsuntersuchung zur Phasenanalyse (RBA). Die konventionelle Rontgenfluoreszenzanalytik (RFA) wurde zur Bestimmung des Chemismus der veraschten Kohle und Schlackeproben eingesetzt. Die Charakterisierung der Minerale in der veraschten Kohle und der Mineralphasen in den Schlacken erfolgte mit der Mikrosonde. Die chemische Zusammensetzung der Ablagerungen auf der

Quarzglassonde und den Rauchgasfiltem wurde mit der Mikrosonde untersucht. Abhangig vom Ort

117 3 wurde dabei der Gesamtchemismus der Proben mit aufgeweitetem ElektronenstraM (20um) untersucht. Die feinkomigen Mineralphasen auf den Rauchgasfiltem und den Innenseiten der

Quarzglassonden warden mit hochauflosender Feldemissionsrasterelektronenmikroskopie (FE-

REM) elektronen-optisch abgebildet. Die kristallinen Bestandteile der Filterproben und ausgewahlte

Bereiche der Quarzglassonden warden mit dem Rontgendiffraktometer und der Debye-Scherrer Kamera ftir kleine Probenmengen bestimmt.

3. Ergebnisse

3.1 Untersuchungen an den Schlacken aus Brennkammer und Flussigabscheider

Die Schlacken aus Brennkammer und Flussigabscheider bestehen aus Aluminosilikatglas. In den Glasem der Brennkammer sind zudem Eisenoxidkristalle (»Spinelle«) mit Chrom-, Aluminium- und Magnesiumanteilen nachzuweisen. Als zusatzliche Mineralphase treten in den Schlacken aus dem Flussigabscheider Na-Al-Silikate (»Plagioklas«) auf. Die Kristallisation der Eisenoxide und

Na-Al-Silikate erfolgt vermutlich erst auf den Abtropfblechen vor dem Abschrecken der Schlacke. Abbildung 2 zeigt im Mateiialkontrast die Gefuge der Schlacken aus Brennkammer (A) und Flussigabscheider (B). Die Hauptkomponenten der Schlacken sind Silicium. Aluminium, Calcium und Eisen.

Abb. 2: Ruckstreuelektronenbilder der Schlacken aus Brennkammer (A) und Flussigabscheider (B). Hell - Eisenoxide (»Spinell«), Mittelgrau - Glas, Dunkelgrau - Na-Al-Silikat (»Plagioklas«)

3.2 Elektronenoptische und mikrochemische Untersuchung der Quarzglassonden

Die Ablagerungen auf der Innenseite der Quarzglassonde bestehen aus Schlackepartikeln und Kondensaten. Die Kombination hochauflosender rasterelektronenmikroskopischer Verfahren und mikrochemischer Verfahren ermoglichte die Abbildung von Gefugeunterschieden und der chemischen Zusammensetzung iiber die gesamte Quarzglassonde. In Abbildung 3 sind die

118 4 mafigeblichen Gefugeunterschiede der Quarzrohrinnenseiten abhangig von der Temperatur abgebildet. Am heiBen Ende der Quarzglassonde herrschen tropfenformige Strukturen vor. Sie gehen auf

Schlackepartikel zuriick, die im schmelzflfissigen Zustand an der Oberflache des Quarzglasrohres anhaften (Abb. 3A). Bei mittleren Temperaturen kristallisieren Sulfate aus dem Rauchgas in der Reihenfolge: CaS04 (»Anhydrit«), K2Ca2(S04)3 (»Ca-Langbeinit«), K3Na(S04)2 (»Aphthithalit«). In diesem Bereich der Sonde kondensiert auch Chrom als Cr203 (»Eskolait«) in Form feiner Blattchen. Abbildung 3B zeigt einen K3Na(S04)2-Kristall fiber einen feinen Geflecht aus Cr203. Die Ablagerungen am kalten Ende der Sonde bestehen aus Cr203-kristallen, die von einer schwefelreichen Schmelze fiberzogen sind (Abb. 3C).

Abb. 3: Elektronenoptisches Profil durch die Quarzglassonde. A - heifies Ende, B - mittlere Bereiche. C - kaltes Ende Die beobachteten Geffigeanderungen sind auch aus mikrochemischen Profilen fiber die Lange der Quarzglassonde abzulesen. Aus Abbildung 4 sind die maBgeblichen chemischen Anderungen abhangig von der Temperatur abzulesen. Am heiBen Ende dominieren die Schlackenelemente

Silicium, Aluminium und Eisen: Bei sinkenden Temperaturen nehmen deren Anteile deutlich ab zu gunsten von chrom-, kalium- und schwefelreichen Kondensatbildungen. Auffallend ist das unterschiedliche Verhalten von Natrium und Kalium. Natrium korreliert mit den Schlacken- elementen Silicium und Aluminium, wahrend Kalium deutlich mit Schwefel korreliert. Das Verhalten der Alkalien in der DKSF-Anlage ist also unterschiedlich. Die hohen Chromwerte in der

Quarzglassonde gehen auf die Ausmauerung der Brennkammer zurfick. Chromoxide kondensieren

wie die kalium-haltigen Sulfatverbindungen bei Temperaturen < 1000°C.

119 5 3.2 Elektronenoptische, mikrochemische und rontgenographische Untersuchung der Rauchgasfilter

Die Ablagerungen auf den Rauchgasfiltem sind mit mittleren Komdurchmessem < 1 pm ausgesprochen feinkomig. Neben den gelegentlich feststellbaren Flugaschepartikeln (gerundete

Komer) treten haufig unregelmassig geformte Mikropartikel auf (Abb. 5). Die chemische

Zusammensetzung der Ablagerungen auf den Rauchgasfiltem weicht deutlich von denen der Schlacken und der veraschten Kohlen ab. Die dominierenden Elemente sind bier Schwefeloxid (als S03) und die Alkalien, die in der Summe ca. 50 Gew-% der Ablagerungen auf dem Filter ausmachen. Andere Elemente treten deutlich zuruck. Ordnet man Schwefel-, Alkali- und

Chromgehalte einer Entstehxmg aus Kondensationsprozessen zu, sind damit ca. 50 - 60 % der

Ablagerungen auf den Rauchgasfiltem auf Kondensationsprozesse zuruckzufuhren (Tab. 1).

Temperatur [°C]

Abb. 4: Mikrochemische Profile durch die Quarzglassonde.

120 6

Abb. 5: Rauchgasfiiter mit Ablagerungen (REM)

Tab. 1: Chemische Zusammensetzung der veraschten Kohle Spitzbergen (normiert) und der Ablagerungen auf dem Rauchgasfiiter. Die maBgeblichen Unterschiede beider Analysen sind grau unterlegt.

veraschte Kohle Rauchgasfiiter

SiO, Gew-% 14.44

Ti02 Gew-% 1.06 0.88 Al2°3 Gew-% 1 8.90

Cr2Os Gew-% <0.1

Fe2°3 Gew-% 18.64 -

FeO Gew-% - 11.24 MnO Gew-% 0.07 0.06 MgO Gew-% 3.89 1.88 CaO Gew-% i! 5.45

KaO Gew-% 1.73

Na20 Gew-% 3.13

P2O5 Gew-% 0.45 1.96 SOS Gew-% 0.60 Summe Gew-% 100.00 100.00

121 7 4. Zusammenfassung und Ausblick

Die Partikellast im Rauchgasstrom der DKSF-Pilotanlage ist eine komplexe Mischung aus

Schlackepartikeln und Kondensaten. Nach der detaillierten Untersuchung von Schlacken,

Quarzglassonden und Rauchgasfiltem sind ungefahr 50-60 % der am kalten Ende der Pilotanlage gesammelten Partikel Kondensationsprozessen zuzuordnen. Die Kondensate umfassen vorwiegend komplexe Sulfatverbindxmgen. Die Kondensationstemperaturen dieser Sulfatverbindungen reichen von ca. 1050 °C bis 600 °C. Dieser Bereich ist weitgehend identisch mit dem Temperaturbereich fur den Betrieb der Gasturbine. Schematisch sind die Untersuchungsergebnisse in Abbildung 6 zusammengefaBt. Fur die erfolgreiche Weiterentwicklung des DKSF-Konzepts ist eine primare

Reduktion der Alkaliemission unerlaBlich. Neben dem hierzu diskutierten Einsatz von

Gettermaterialien kommen primare MaBnahmen in den VerbrennungsprozeB in Frage, die eine verstarkte Einbindung der Alkalien in die Schlacke oder die Kristallisation von hochtemperaturstabilen alkalihaltigen Verbindungen ermoglichen.

Gasphase Staub und ^Condensation von Staub Schlacke Alkali- + Erdalkalisulfaten

Abb. 6. Zusammensetzung der Gasphase und Phasenreaktionen in der DKSF-Pilotanlageabhangig von der Temperatur des Rauchgasstroms (schematisch)

122 123 3.6

Dr. Kurt Hubner, Prof. Dr.-lng. Klaus Gorner, Lehrstuhlfur Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik, Universitat GHS Essen

Untersuchungen zur Hochtemperaturabscheidung von Alkalikomponenten in elektrischen Feldern

124 - 1- %012895969* DE99G9507 Dr. Kurt Hiibner, Prof. Dr.-Ing. Klaus Corner Lehrstuhl ftir Umweltverfahrenstechnik und Anlagentechnik Universitat GH Essen, 45117 Essen

Untersuchungen zur Hochtemperaturabscheidung von Alkalikomponenten in elektrischen Feldern

Elektrische Felder wurden zur Gasreinigung bei Kohleumwandlungsprozessen bisher vor allem unter Bedingimgen untersucht, bei denen die abzuscheidenden Flugaschepartikel im festen Zustand vorliegen [1], [2]. Das Interesse an Elektrofiltem ging durch die erfolgreiche Entwicklung filtemder Abscheider ftir hohe Temperaturen zuriick. Fur hohere Temperaturen, bei denen die Abscheidung schmelzflfissiger anstelle fester Partikel erforderlich wird und bei denen steigende Gehalte dampffbrmiger Alkaliverbindungen zu erwarten sind, kann eine elektrische Abscheidung aber eine Erganzung oder Alternative zu anderen Methoden der Gasreinigung darstellen. Neben einer elektrostatischen Partikelabscheidung kommt dabei insbesondere eine Verbesserung des Transposes dampffbrmiger Alkalipardkel durch elektrische Felder beim Abscheidevorgang als erstrebenswertes Ziel in Frage. hn Rahmen des Beitrags soil kurz fiber eine Reihe von Laboruntersuchungen berichtet werden, bei denen man den EinfluB elektrischer Felder auf die Kinetik der Alkaliabscheidung unter folgenden definierten Laborbedingungen erfaJBte:

• Konstante Temperatur von 1600 K, • konstantes elektrisches Gleichspannungsfeld von 500 V liber 20 mm, • Vergleich der Abscheidung mit und ohne elektrischem Feld, • EinfluB der Poking, • Modellsalzschmelzen aus chemisch reinen Komponenten mit definierten K- bzw. Na-Gehalten.

Als MeBgas diente atmospharischer Luft, die zusammen mit der Versuchseinrichtung in einem Laborofen auf die konstante Betriebstemperatur von 1600 K gebracht wurde. Die Alkalien befanden sich dabei in einem waagerecht angeordneten elektrisch leitenden Tiegel, der eine Elektrode der Versuchsanordnung bildete (vgl. Abb. 1). In einem Abstand von 2 cm war eine Gegenelektrode angeordnet, die aus elektrisch leitendem Material bestand, das bei einigen Experimenten bewuBt mit guten Gettereigenschaften ausgestattet war. Der Tiegel wurde bei den im Rahmen der Untersuchungen gewahlten Bedingungen entweder als Anode oder als Kathode wie auch stromlos geschaltet. Damit ergaben sich die in Abb. 1 wiedergegebenen unterschiedlichen Schaltungen. Als Werkstoff fur die elektrischen Zuleitungen im Hochtemperaturbereich wurde Molybdansi- licid gewahlt. Zur Isolation bei hohen Temperaturen diente Aluminiumoxidkeramik (A1203- Anteil > 99 %). Zur Erfassung der Effekte dienten die Massenanderungen im Tiegel und an der Gegenelektrode, fur die folgende Gettermaterialien erprobt wurden: • Siliciumcarbid, • Zirkonoxid, • Mullit, • Aluminiumoxid. Die Versuchsdauer betrug einheitlich 5 h. Um die Effekte deutlich erfaBbar zu machen, wurden bei den eingesetzten Alkalioxid-Aluminiumoxid- bzw. Alkalioxid- Siliciumoxidgemischen vergleichsweise hohe Alkahgehalte gewahlt (Alkalianteil: jeweils 0,4 mol je mol Si bzw. A1 in der Alkalivorlage).

125 -2-

Gegenelektrode bzw. Getter U = 500 V T = 1600 K

leit. Behalter mit alkalihalt. Schmelze

Gegenelektrode ■ bzw. Getter U = 0 V T = 1600 K 20I mm leit. Behalter mit alkalihalt. Schmelze

Gegenelektrode ■ bzw. Getter U = 500 V T= 1600 K 20I mm leit. Behalter mit alkalihalt. Schmelze

Abb. 1: Versuchsanordnungen (schematisch)

Abb. 2 zeigt zunachst den Anteil an Alkali, der unter den Versuchsbedingungen bei unter- schiedlicher Poltmg der Gegenelektrode aus dem Tiegel freigesetzt wird. Wie man der Dar- stellung entnehmen kann, ergeben sich im Falle des Kaliums (linkes Diagranxm) besonders groBe Differenzen zwischen der Schaltung der Gegenelektrode als Anode oder Kathode. Negative Polung der Gegenelektrode begiinstigt dabei die Alkalifreisetzung im Vergleich zur stromlosen Schaltung. Wahrend die positive Schaltung zu einer deutlichen Minderung der Alkaliabnahme im Vergleich zur stromlosen Schaltung ftihrt. Im Fall des Gemisches aus Kahumhydroxid und Aluminiumoxid ist der Effekt der negativ gepolten Gegenelektrode vergleichsweise geiing.

Ahnliche Effekte wie bei der Kaliumemission sind auch beim Natrium (rechtes Diagramm) feststellbar. Allerdings sind die Unterschiede zwischen positiver und negativer Polung weniger ausgepragt als beim Kalium. Beim Gemisch Natriumhydroxid/Aluminiumoxid wird fur die stromlose Schaltung die groBte Alkalifreisetzung gefunden, wobei der Emissionswert auch den fur negative Polung der Gegenelektrode deutlich tiberwiegt.

Diese Ergebnisse lassen sich weitgehend fiber die Ionisierbarkeit der Alkaliionen interpretieren. Positiv geladene Alkaliionen werden durch die Positive Gegenelektrode abgestoBen. Die Ionisierbarkeit des Kaliums ist infolge seiner Position in einer tieferen Periode des Chemischen Periodensystems starker. Die groBere Elektronenhfille bewirkt eine leichtere Abspaltung des Elektrons bei der Bildung des Kaliumions.

126 -3-

Diese Befunde sind in noch starkerem Umfang erkennbar bei der Alkaliaufeahme durch Gettermaterialien, bei denen Alkalihydroxid/Aluminiumoxidgemische eingesetzt wurden.

OH Gegenelektrode positiv H Gegenelektrode negativ

KOH/ KOH/ SiO, Al203

Abb. 2: Alkalifreisetzung aus alkalihaltigen Gemischen bei unterschiedlichem elektrischen Feld

Abb. 3 zeigt die Getterung durch Silicimncarbid-Sinterkeramiken. Dabei ist die Kaliumauf- nahme im allgemeinen groBer als die des Natriums. Die beste Getterwirkung wird bei negativer Polung der Gegenelektrode erzielt.

Getter: SiC c 15-

S 10-

Getter: Getter: keine positiv negativ Spannung

Abb. 3: Alkaligetterung an SiC-Sinterkeramik bei unterschiedlichen elektrischen Feldern

Im Falle des Natriums ergibt sich allerdings eine leichte Zunahme der Getterwirkung bei positiver Schaltung der Getterelektrode.

127 -4-

Ein Vergleich unterschiedlicher Gettermaterialien ist in Abb. 4 wiedergegeben. Dabei ist die Getterwirkung fur Kalium bei negativer Polling des Getters und ftir den stromlosen Zustand gegeniibergestellt.

^ 20 O) c h Getter elektrisch negativ ■§ 15 □ keine Spannung 15 m 10

5

0 SiC AUOo Zr0o Mullit

Abb. 4: Getterung von Kalium durch unterschiedliche Materialien

Wie man aus Abb. 4 ersieht, nimmt die Alkaliaufiiahme grundsatzlich durch Anlegen einer negativen elektrischen Spannung zu. Die hochste Einbindung im Fall des Siliciumcarbids er- zielt. Dies ist aber nicht auf die besonders gute elektrische Leitung dieses Materials, sondem auf seine Getterwirkung zuruckzufuhren, wie der Vergleich mit den Ergebnissen fur die stromlosen Zustande zeigt. Die schlechte Getterwirkung des A1203 beruht vor allem auf dessen geringer spezifischer OberflachengroBe.

Zusammenfassend ist festzustellen, daB die Transportkinetik der Alkaliabscheidung im elektrischen Feld wie folgt beeinfluBt wird: • Negative Polling der Abscheide-Elektrode bzw. des Getters begunstigen die Abscheide- kinetik. • Positive Polling der Abscheide-Elektrode bzw. des Getters verschlechtem die Abscheide- kinetik im Vergleich zum Alkali-Transport ohne elektrische Spannung. • Kahum wird aufgrund seiner Stellung im chemischen Periodensystem im elektrischen Feld starker beschleunigt als Natrium. • Variationen in der Aufiiahme von Alkahverbindungen durch unterschiedhche Gettermate- rialien sind auf Unterschiede im spezifischen elektrischen Widerstand wie auch im Sorp- tionsvermogen zuruckzufuhren.

Literatur: [1] E. Weber, K. Hiibner, H.-G. Pape, R. Schulz „ Gas Cleaning Under Extreme Conditions of Temperature and Pressure" Symposium on the Transfer and Utilization of Particulate Control Technology, Denver 1980 Program Report EPA-600/9-80-039

[2] E. Weber, T. Riepe ,3au und Betrieb einer Pilotanlage zur Optimierung von Elektrofiltem fur die Hochdruck-Hochtemperatur-Gasreinigung" AbschluBbericht zum BMFT-Vorhaben 03E-1268 -A9 Inst. f. Umweltverfahrenstechnik d. Universitat Essen (1988)

128 4.

Themenbereich: Keramische Werkstoffe

4.1

Dr. Pavone, Druckkohlenstaubfeuerung GbR, Dorsten

Konstruktions- und Funktionskeramiken innerhalb der Druckkohlenstaubfeuerung

129 1

Druckflamm - Seminar UlIMflM Zeche - ZoUverein 17 .11.1998 *0201289597% 4. Themenbereich: Keramische Werkstoffe

“ Konstruktions- und Funktionskeramiken innerhalb der DruckkoMenstaubfeuerung “ Dr. D. Pavone DKSF GbR.

dE99G950S

Einleitung Die Funktionsfahigkeit der Hochtemperatur-Komponenten der DruckkoMenstaubfeuerung (Brennkammer, Fliissigascheabscheider, Alkababscheider u.a.m.) und deren Zeitstandverhalten hangen von den spezifischen Eigenschaften der verwendeten Mateiialien ab. Fur die MaterialauswaM bzw. -entwicklung ist daher die moglichst umfassende Kenntnis aller Verfahrensparameter wichtig.

Im Rahmen des Vortrages werden, wie aus Bild 1 ersichtlich, zunachst die ProzeBparameter und die Meraus resultierenden Beanspruchungsarten erlautert. AnschbeBend wird der Kenntnisstand bezuglich des Werkstofiverhaltens unter den Bedingungen der Druck­ koMenstaubfeuerung dargestellt. Basierend auf den Ergebnissen der Keramikentwicklung wird abscMieBend der weitere Forschungs- und Entwicklungsbedarf charakterisiert.

Problemstellung In Bild 2 werden die fur die MaterialwaM relevanten ProzeBgroBen wiedergegeben. Es laBt sich leicht ableiten, daB aufgrund dieser extremen Betriebsbedingungen gekoppelte Beansprachungstypen auftreten, die zu einer Uberlagerung von Erosions- und KorrosionsangrifF fuhren. In Bild 3 werden die Arten der WerkstoSbeanspruchung definiert. Dies sind die VerscMeiBparameter:

• thermische, • mechanische sowie • chemische Beanspruchung.

Daraus ergibt sich, daB die Auswahlkriterien hinsichtlich bestimmter WerkstofFeigenschaften immer in Hinblick auf eine moglichst optimale Erfiillung samtlicher Forderangen zu stellen sind. Die Entwicklung der Technik der DKSF ist eng mit der Verfugbarkeit geeigneter Werkstoffe verbunden. Keramische Werkstoffe besitzen Merbei die groBte Bedeutung. Ursachen Merfur sind die, bezuglich auf die Beanspruchung, ausgezeichneten Eigenschaften sowoM der oxydischen als auch nichtoxydischen Keramik, die so umfassend von keiner anderen Werkstoflfgruppe erreicht werden.

130 2

Je nach Anforderungsprofil lassen sich folgende Einsatzgebiete nennen (siehe Bild 4):

Konstruktionskeramik

• Feuerfestkeramik • Hochtemperaturisolation • Gassperren

Funkdonskeramik

• Partikelabscheidung • Feinstabscheidung • Alkaliabscheidung

Dabei warden je nach Einsatzgebiet folgende Eigenschaften gefordert:

• Hochtemperaturbestandigkeit • Hohe Schlackenbestandigkeit (erosiv/korrosiv) • Hochfeuerfestigkeit • T emperaturwechselbestandigkeit • geringe Porositat (insbesondere keine offene Porositat) • keine Selbstemission (turbinenschadliche Stoffe z. B. Na + K) • teilweise elektrisch leitend (Induzierung elektrischer Felder) • Aufnahmefahigkeit fur korrosive Schadgase (Getterwirkung) • Einstellbare Warmeleitfahigkeit (rasche Warmeabfiihr exponierter Bereiche)

Entwicklungsstand In Bild 5 werden die unterschiedlichen Anforderungen an die Konstruktions- und Funktionskeramiken qualitativ bewertet. Im folgenden soil der aktuelle Entwicklungsstand beider Gruppen dargestellt werden.

Konstruktionskeramik Aufgrund der Warmeableitung kann sich auf der Steinoberflache eine Schlackeschutzschicht aufbauen, die den Stein vor korrosiven und erosiven Angriffen bewahrt. Bei Standardmaterialien kbnnen Temperaturuberschreitungen zum Abschmelzen der Schutzschicht und zu Ascheinfiltration fuhren. Gemeinsam mit Industriefirmen gelang es, gefugeoptimierte Konstruktionskeramiken zu entwickeln, die deutlich erosions- und korrosionsfester als die Standardprodukte sind. Hierbei handelt es sich um sogenannte uniaxial gepreBte Hochbrandsteine, bestehend aus Aluminium-, Chrom- und Zirkonoxyden. Insgesamt ist die Zeitstandfestigkeit dieser Konstruktionskeramik weitestgehend als ausreichend zu bewerten. Werkstofftechnische Probleme exponierter Bereiche lassen sich durch Plattieren der pordsen Keramik (Hochbrandsteine) mit nichtporoser Keramik (schmelzgegossen/isostatisch gepreBt) losen.

Funktionskeramik Bei der Funktionskeramik ist das Beanspruchungsprofil, insbesondere bei den zur Partikelabscheidung eingesetzten keramischen Kugeln, weitaus ausgepragter als bei der Konstruktionskeramik - hohe Stromungsgeschwindigkeit und Flussigaschebeladung, keine Warmeabgabe realisierbar -. Bei Verwendung von herkommlichen Feuerfestprodukten stieB man sehr schnell an den Grenzen des Leistungsvermogens dieser Werkstoflfgrappe - oft schon

131 3 im Aufheizbetrieb. Daher waren die Arbeiten in diesem Bereich erheblich umfangreicher zu gestalten. Wie in Bild 6 charakterisiert, warden bisher im Vorauswahlverfahren ca. 550 Werkstofizusammensetzungen untersucht. Von diesen Probanden warden anschlieCend 145 im Eintrittsbereich des Flussigascheabscheiders positioniert and unter realen Anlagenbedingungen uberpruft. Die wesentlichen Vertreter waren hierbei einfache and komplexe Oxydkeramiken auf der Basis von Aluminiumoxyd, Chromoxyd, Magnesiumoxyd, Siliciumoxyd and Zirkonoxyd. Aber auch Vertreter der nichtoxydischen Gruppe warden berucksichtigt. Hierbei konnte man feststellen, da!3 ausreichende Standzeiten bisher nur mit isostatisch geprefiten oder schmelzgegossenen Produkten realisierbar sind, die neben einer geringen Porositat (insbesondere offene) auch einen hohen Anteil an Cr2Os aufweisen. Die hervorragende Schlackenbestandigkeit der hochchromhaltigen Funktionskeramiken ist im wesentlichen dadurch zu erklaren, da!3 die Hauptphase der Schlacke Si02 (~ 40 - 50 %) mit dem Cr203 aus dem Werkstoff kerne Verbindung eingeht. Das heifit, das System Si02 - Cr2Os zeichnet sich durch eine vollstandige Unloslichkeit der Komponenten Cr2Os and Si02 untereinander aus. Dies gilt fur den gesamten relevanten Temperaturbereich. Aufgrund der mikroskopischen Untersuchungen an bisher bestandigen Materiahen wird die Erosions- and Korrosionsbestandigkeit - neben hohem Cr2Os-Anteil - durch folgende MaBnahmen gefordert: Vermeidung von Glasphasen; keine offene Porositat and (geringe) geschlossene Porositat; Verwendung von feinkristallinem Korn and sparsamer Umgang mit Sinteradditiven. Allerdings muB in diesem Zusammenhang auf die hohe Selbstemission der Cr203-haltigen Keramik hingewiesen werden, die Gegenstand weiterer Untersuchungen sein wird.

Forschungs- und Entwicklungsbedarf (Funktionskeramiken)

Partikelabscheidung

In Bild 7 werden die Schwerpunkte der weiteren Untersuchungen erlautert. Ziel der noch erforderlichen Arbeiten ist die Weiterentwicklung und die Eifassung der Dauerstandfestigkeit keramischer WerkstofFe unter besonderer Berucksichtigung ihrer Verdampfung und den hieraus resultierenden Auswirkungen fur den Abscheide- und Gasturbinenprozess. Weitere wichtige Aktivitaten werden im Bereich der Keramiken zur Feinst- und Alkaliabscheidung benotigt.

Feinstabscheidung

Eine Moglichkeit Partikel < 3 pm abzuscheiden, ergibt sich durch ein neuartiges Verfahren. Bei Untersuchungen zeigte sich, daB einige Keramiken (Leiter) mit einem Schlackefilm uberzogen warden, andere Keramiken (Isolatoren) dagegen wiesen keinen Schlackefilm auf. Dies kann damit erklart werden, daB die kleinen Flussigascheteilchen geladen sind und somit durch Aufbringen entsprechender elektrostatischer Krafte aus dem Rauchgasstrom separierbar sind. Zur technischen Umsetzung der Abscheidung mittels elektrischer oder elektromagnetischer Felder werden elektrisch aktivierbare Keramiken und keramische Kontakte benotigt, die korrosionsfest und schlackenbestandig in oxidierender Atmosphare eingesetzt werden konnen. Bisher konnten zu dieser Thematik lediglich einige Vorversuche durchgefuhrt werden und es fehlen noch die Grundlagen und Basisdaten zur definierten Herstellung der Keramik mit den benotigten Eigenschaften.

132 4

Alkaliabscheidung

Zur Alkaliabscheidung sind Getterkeramiken zu verwenden, die neben einer hohen Einbindefahigkeit (hohe Porositaten und spezifische Oberflachen) auch ausreichende thermische Bestandigkeit besitzen (siehe Bild 8). Dies sind beispielsweise Keramiken, die aus einem bestimmten Verhaltnis von AI2O3 und S1O2 bestehen sowie Keramiken aus B-AI2O3. Diese Materialien weisen Fehlstellen auf, an denen die AJkalien angelagert werden kdnnen. Hierzu sind wichtige Parameter wie Temperaturfenster, Mischungsverhaltnis, Schmelztemperatur, Sattigung und Anderung der Struktur nach Sattigung zu erfassen. Weiterhin ist zu uberprufen, ob und inwieweit Alkalien mittels Induzierung von elektrischen Feldem an entsprechend dotierten Keramiken abgeschieden werden kdnnen.

Die prinzipielle Eignung von Getterkeramiken zur Alkalieinbindung konnte bisher im Rahmen des Iaufenden Forschungsprojektes an der Druckanlage, aufgrund der noch vorhandenen relativ hohen Partikelbeladung, noch nicht ermittelt werden. Das heiJBt, zu diesem Arbeitsinhalt sind noch eine ganze Reihe von Kurz- und Langzeittests durchzufuhren.

Zusammenfassung und Ausblick Gefugeoptimierte Konstraktionskeramiken ermoglichen einen weitestgehend storungsfreien Anlagenbetrieb. Spatere GroBanlagen konnten auf der Basis der heute als „Stand der Technik" zu definierenden Schmelzkammerfeuerungen ausgefiihrt werden. Funktionskeramiken - speziell im Flussigascheabscheider - werden auch in einer zukunftigen Implementierung des Verfahrens ,JDruckkohlenstaubfeuerang “ genauso vielfachen Beansprachungsmechanismen unterzogen wie sie heute schon in der bestehenden DKSF- Anlage existent sind. Eine Weiterentwicklung der Funktionskeramik hinsichtlich eines Gradientenwerkstoffes, unter Verwendung modemer Herstellungsverfahren, erscheint aus heutiger Sicht moglich, so daB die im Rahmen des Vortrages vorgestellten extremen Verfahrensbedingungen beherrschbar werden.

133 m 1|—^ | Beanspruchungsarten ProzeBparameter [aterialanforderungen

m

Kenntnisstand WerkstofEverhalten

ZE

Forschungs- und Entwicklungsbedarf

Bild 1: VP - DKSF Druckflamm - Seminar 17.11.1998 Zeche Zollverein RG/DP

ProzeBparameter zur Werkstoffauswahl

• T: ~ 1650 °C p: ~ 16 bar • Rauchgasgeschwindigkeit: 3 -100 m/s • Oxid. Atmosphare: Rest - 02 ~ 5 % • Weitere gas- Oder dampfformige Bestandteile: Alkalien: H2O; COx ; SOx ; NOx ; MCI • Aschetropfen mit mind. 10 Elementen (sauer Oder basisch)

Bild 2: VP - DKSF Druckflamm - Seminar 17.11.1998 Zeche Zollverein RG/DP

134 VP-DKSF Bild 3: Vertundprejekt RC/DP Dfuckkohlcnstautifcucfing Beanspruchung keramischer Werkstoffe bei der Druckkohlenstaubfeuerung

I zx [ Konstruktionskeramik ] Funktionskeramik 4 Feuerfestkeramik ] H Partikelabscheider I

4 HT- Isolierungen Feinstabscheider ] elektr. Leitfahigkert

4 Gassperren 3 Alkaliabscheider hohe Gettorfahigkoit

Allgemeine Forderungen

• Hochtemperaturbestandigkeit Tmax - 1650-C

• Hohe Schlackenbestandigkeit • Temperaturwechselbestandigkeit (geringe Infiltrationsneigung und Porositat) (Abhangig von der Porositat)

• Hochfeuerfestigkeit • keine (geringe) Selbstemission (giinstige thermomech. Eigenschaften)

| VP-DKSF Bild 4: | Vcrtundpfojdct RC/DP 8 DrudUcohlenaaubfeuenjng Keramische Werkstoffe innerhalb der Druckkohlenstaubfeuerung

135 • Durch Warmeabieitung Schlackeschutzschicht • Keine Warmeabieitung moglich auf der Steinoberflache realisierbar

# Beanspruchungsmechanismus nur im • Temperaturuberschreitung bewirkt Abschmelzen der Schutzschicht und Ascheinfiltration bei Anlagenbetrieb quantifizierbar Standardwerkstoffen e Maximale Beanspruchung: Eintritt FAA —► Gefugeoptimierte Konstruktionskeramiken (hohe Rauchgasgeschwindigkeit, sind deutlich korrosionsfester Aschefracht und Temperatur)

VP - DKSF Bild 5: Vertundprcjekt RG/DP Druddtohlenstaubfeuerung Allgemeine Ubersicht

Vorauswahi : - 550 Erkenntnisse in der Uberpriifte Keramikproben : 145 Zerstort : 101 Keramikentwicklung Stark angegriffen : 37 Wenig angegriffen : 4 Nicht angegriffen : m

Unabhangig vom Formgebungsverfahren, Einfache Oxydkeramik KomgroBenverteilung und Sintertemperaturen: Al203 / MgO / Si02 / Ti02 Durch Fliissigaschen zerstort bzw. stark angegriffen. ZrOz (Y2°3Z CaO/ CeO/ MgO)

• Ungeformte Produkte auch mit Cr203 nicht bestandig Komplexe Oxydkeramik • Geformte Produkte nur mit Cr2Os schlackenbestandig Cr203 o (Al203 / MgO/SiO z/ ZrOz) • Eignung der Formgebungsverfahren: SchmelzgieBen > isost Pressen > axiales Pressen Al2°3 O (Si02/Zr02 ) • Mit hoheren Anteiien an Cr2Oa und Abnahme der Porositat foigt Zunahme der Schlackenbestandigkeit

Nichtoxydkeramik Karbide (SiC, SiSiC, ReSiC) Nicht optimiertes MoS^ teiiweise resistenter Nitride (Si3N4, S1ALON) Silicide (MoSi 2) ais einige einfache Oxydkeramiken

VP -DKSF Bild 6: RG/DP Verbundprojekt DruckkoNenstaubfcuering Entwicklungsstand Keramik Nov. '98

136 Forschungs- und Entwicklungsbedarf Funktionskeramik Langzeitfestigkeit

• Werkstoffmodifizierungen - Oxyd- / Nichtoxydkeramiken - Minimierung (Verzicht) Cr203 - Anteil - Verhinderung von Cr203 - Emission - Beschichtung hochbeanspruchter Bereiche

• Adaptierung elektr. leitender Keramiken

• Entwicklung von Getterkeramiken (Alkalien)

Bild 7: VP - DKSF Dmckflaimn - Seminar 17.11.1998 Zeche Zollverein RGZDP

Entwicklung von Getterkeramiken Einbindung von (Na + K)

• Erfassung geeigneter Getterkeramiken - (Mischungsverhaltnis,Temperaturfenster, Schmelztemperatur)

• Abscheide- und Sattigungsverhalten - Anderung der Struktur nach Sattigung

• Geometrie (Handling, Nachfullbarkeit)

• Keramiken fur elektroinduz. Abscheidung

Bild 8: VP-DKSF Druckflamm- Seminar 17.11.1998 Zeche Zollverein RG/DP

137 4.2

A. Sax , R Telle, RWTH Aachen, Institut fur Gesteinshuttenkunde, Lehrstuhl fur Keramik und Feuerfeste Werkstoffe, Aachen

Keramische Werkstoffe zur Anwendung als Funktions- werkstoffe in Druckkohlenstaubfeuerungsanlagen

138 Keramische Werkstoffe zur Anwendung als Funktionswerkstoffe in Druckkohlestaubfeuerungsanlagen

A. Sax, R. Telle RWIHAachen, Institutfur Gesteinshiittenkunde Lehrstuhlfur Keramik und Feuerfeste Werkstoffe Mauerstr. 5, 52064 Aachen r- ! DE99G9505

Einleitung Neben der Weiterentwicklung konventioneller Kraftwerksprozesse - Steigerung der Dampf- parameter Druck und Temperatur - stehen in den letzten Jabren zunehmend neuartige Kraftwerks- konzepte, insbesondere die Entwicklung kombinierter Gas- und Dampfturbinenprozesse unter Druck, ixn Mittelpunkt der Entwicldungsarbeiten. Mit der Ubertragung des GUD-Prozesses auf Kohlekraftwerke werden auch ftir diesen Kraftwerkstyp Gesamtwirkungsgrade oberhalb 50% mog- lich. Unter den verschiedenen ProzeBvarianten - Kohledruckvergasung, Druckwirbelschichtfeue- rung, Druckkohlenstaubfeuerung - stellt letztgenanntes Verfahren, die Druckkohlenstaubfeuerung, die ProzeBvariante mit dem hochsten Wirkungsgradpotential dar [1]. Zum Schutz der Turbine vor Erosion und Konrosion durch Verbrennungsriickstande der Kohle ist die Reinigung des Rauchgases von Aschepartikeln und Alkalien unter Druck bei Temperaturen oberhalb 1400°C erforderlich. Fur die Abscheidung der Kohleaschen, die bei den angestrebten Be- triebstemperaturen in fliissiger Form anfallen, sind eine Reihe von Verfahrensvarianten konzipiert und erprobt worden, beispielhaft seien bier die Varianten Zyklonabscheider, Prallflachenabscheider, Umlenkabscheider sowie Filtrationsabscheider auf Basis von Schaumkeramik und Schtittschichten keramischer Formkorper genannt [2,3,4]. Die hohe thermische Belastung in Kombination mit schnellstromenden, aschebeladenen Rauchga- sen sowie die aggressiven, komplex zusammengesetzten Kohleaschen selbst stellen an die in diesem Bereich einzusetzenden Werkstoffe maximale Anforderungen hinsichtlich Korrosions- und Erosi- onsbestandigkeit. Umfangreiche Untersuchungen zum Korrosionsverhalten yon Feuerfestwerkstoffen in Kontakt mit Kohleaschen wurden Ende der 70er/Anfang der 80er Jahre in Zusammenhang mit der Entwicklung der Kohlevergasungsverfahren untemommen [5-10]. Die als Ergebnis dieser Untersuchungen favo- risierten Werkstoffgruppen - Chromkorundmaterialien, Magnesiochromit-Spinelle und mit Ein- schrankungen Siliciumcarbidmaterialien - wurden im Rahmen der bier vorgestellten Untersuchungen auch auf ihre Einsatztauglichkeit im Fliissigascheabscheider gepriift. Die Bedin- gungen bezuglich der Abscheiderwerkstoffe sind im Vergleich zur Kohlevergasung jedoch insofem wesentlich kritischer, als daB es sich bier nicht um eine konventionelle Feuerfestzustellung mit ho- hen Wandstarken und der Moglichkeit des Einsatzes einer Hinterwandkuhlung handelt, sondem um verhaltnismaBig kleinformatige Keramikkorper mit Wandstarken bzw. Durchmessem zwischen 3 und 5 cm. Somit hat schon die Ausbildung von Reaktionsgrenzschichten im ublichen Umfang eine Zerstdrung der Keramik zur Folge.

139 Experimentelles Die Auswahl der zu untersuchenden Feuerfestmaterialien orientierte sich im wesentlichen an den Erfahrungen, die mit Materialien zur Zustellung von Kohlevergasungsanlagen bzw. Glaswannen zar Behandlung von Basaltschmelzen gemacht warden, welche in ihrer Zusammensetzung der Stein- kohleasche relativ ahnlich sind [5-10]. Die Verschlackungsversuche warden mit den folgenden Werkstoffgrappen darchgefiihrt:

- SiC-Werkstoffe - Werkstoffe aaf der Basis von Chromkornnd: System Cr203-Al203-Zr02 (-Si02) - Werkstoffe aaf der Basis von Spinell: System MgCr 204 - MgAl 204

Tabelle 1 faBt in einer Ubersicht die chemische Zasammensetzang aller antersachten Materialien zasammen. Die Werte der offenen Porositat lagen bei alien Materialien zwischen 12 and 18%. Bei der Grnppe der Chromkornndwerkstoffe ist hinsichtlich des Gefiiges im Aasgangszastand anzumer- ken, daB der Cr203-Anted der Materialien mit niedrigen bis mittleren Chromoxidgehalten (Chrom- korand B, C, E) aaf die feinkomige Bindephase konzentriert ist, wahrend der Grobanteil im wesentlichen aas Konmdkom besteht. Im Gegensatz daza weist Chromkorand A einen Gefiigeaaf- baa aas (Cr,Al)203-K6mem mit weitgehend einheitlicher Zasammensetzang aaf.

Probe Chem Zusammensetzung [Ge w.-%] MgO AI203 Cr203 SiOz Zr02 TiOz Eskolait Eskolait A - 96 - - 4 Eskolait B - 86 - 7 - Chromkorund Cr-Korund A 17 62 - 12 - Cr-Korund B 30 60 3 5 - Cr-Korund C 60 30 3 6 - Cr-Korund E 80 10 4 4 - Cr-Korund D, schmelzgegossen 31,5 26 13 26 - Spinell Picrochomit 11 - 81 5 -

SiC SiC Si3N4 N-SiC 60 40 RXSiC 99 - Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung der untersuchten Werkstoffe.

Die Untersachangen zar Bestandigkeit dieser Materialien in Kontakt mit schmelzfliissigen Stein- kohleaschen warden tiberwiegend im Ascheabscheider einer Drackkohlenstaabfeaerangs- pilotanlage (Fa. STEAG/Dorsten) darchgefiihrt. Die Bedingangen im Pilotflassigascheabscheider entsprachen mit Driicken zwischen 10 and 16 bar and Temperatnren von 1400-1600°C den zakiinf- tigen Betriebsbedingangen des Aggregates, wobei nach Betriebszeiten zwischen 90 and 150 h Pro- ben entnommen warden. Zasatzlich zar Schmelze kamen bei diesen Tests aach die gasformigen Reaktionsprodakte der Kohleverbrennang als Korrosionsmediam hinza. Tabelle 2 gibt die chemi- schen Analysen der Aschen der im Fliissigascheabscheider eingesetzten Kohlesorten wieder. Im Vergleich zar relativ ankritischen Gdttelbomkohle zeichnet sich die als wesentlich aggressiver ein- zastafende Asche von Spitzbergenkohle darch hohere Eisenoxid- and damit aach Schwefelgehalte

140 sowie erhohte Anteile an CaO aus; das in beiden Fallen niedrige CaO/Si02-Verhaltnis kennzeichnet den eher sauren Charakter der Aschen.

Oxid Si02 A1203 CaO MgO Na20 K20 Ti02 S03 P2Os

Spitzbergen 33,6 14,4 14,4 12,4 3,1 3,3 2,2 0,9 14,8 0,8 Gottelbom 52,5 25,3 7,8 3,2 2,5 0,6 3,9 1,0 2,5 0,1 Tabelle 2: Chemische Analyse der eingesetzten Steinkohleaschen.

In den einzelnen Versuchskampagnen kamen in der Regel beide Kohletypen nacheinander zran Ein- satz. Zur genaueren Untersuchung des Einflusses der Aschezusammensetzung warden daher ergan- zende Untersuchungen im LabormaBstab durch Tiegeltests durchgefuhrt, wobei bier detailliertere Erkenntnisse zum Losungs- and Wiederausscheidungsverhalten in Abhangigkeit von der Schlak- kenzusammensetzung gewonnen werden sollten. Die Tiegeltests warden in normaler Luftatmospha- re bei 1600°C bzw. 1700°C fur 3-8h durchgefuhrt.

Zur Beurteilung des Verschlackungsgrades der untersuchten Materiahen wurden Querschliffe der Reaktionszone mit der Schlacke prapariert and die Infiltrationstiefe, die Eindringtiefe von eindif- fimdierten Schlackenkomponenten, sowie die Veranderung der Mineralphasen im Bereich der Ver- schlackungszone untersucht.

Ergebnisse

Siliciumcarbid Alle im Rahmen der hier vorgestellten Untersuchungen getesteten SiC-Materialien unterlagen ei- nem starken Angriff durch die fliissige Steinkohlenasche bis bin zur vollstandigen Auflosung. Analysierbare Proben konnten nach den Versuchen nur vom rekristalhsierten SiC entnommen wer­ den. Bei dieser Probe handelt es sich naturgemaB um ein Material, das mikroskopisch frei von Glasphase bzw. oxidischen Bindephasen ist and zudem im Vergleich mit den beiden anderen SiC- Werkstoffen die hdchsten KomgroBen aufwies. Als Ergebnis der Gefugeuntersuchungen zeigte sich an den Proben nach Einsatz im Fliissigascheabscheider, daB der Angriff auf das Material weniger durch Infiltration and nachfolgende Losung des SiC in der Schlacke erfolgte, sondem vielmehr eine starke Oxidation des SiC unter Bildung von Si02 and C02 bzw. CO eintritt. Das Si02 bildet im Be­ reich der Probenoberflache eine Si02-reiche, hochviskose Schmelzeschicht, die sich offeribar nur langsam durch Diffusion mit der flussigen Kohleasche vermischt. Die mit der Oxidation des SiC verbundene starke Gasentwicklung fuhrt jedoch zu einem AufreiBen der Si02-reichen Schmelze­ schicht, wodurch ein Abtrag mit dem schlackebeladenen Gasstrom im wesentlichen durch Erosion erfolgt. Der zur Oxidation des SiC benotigte Sauerstoff stammt einerseits aus der Rauchgasatmo- sphare, andererseits wird in den Flussigschlacken geldstes Eisen(II)- und Eisen(m)oxid in Reakdon mit SiC zu Eisensiliciden reduziert (Abb 1.).

141 Abbildung 1: Probe RX-SIC nach Einsatz im Fltissigascheabscheider. Oberflachennaher Probenbereich (rechts) mit infolge Oxidation vollstandig durch Cristobalit [1] gescMossenen Poren, sowie Eisensilicid- Ausscheidungen (hell,[2]) neben einem Si02-reichen Schmelzesaum direkt an der stark zerklufteten Probenoberflache (linke Bildseite).

Werkstoffe aufBasis Chromkorund / (Al, Cr)2 03 and Eskolait / Cr2 03 Die Untersuchung der Verschlackungszonen der verschiedenen kommerziellen Materialien auf Ba­ sis von Chromkorund ergab als Korrosionsmechanismus eine Infiltration entlang der Porenkanale sowie der Si02-reichen, glasigen Bindephase bis weit in das Steingefuge hinein, gefolgt von einer Losung der eigentlichen kristallinen Hauptkomponenten. Neben Zr02, das im oberflachennahen Probenbereich nahezu vollstandig aus dem Matrixgefuge herausgelost wird, wird bevorzugt A1203 in der Schlacke gelost, wodurch eine randliche Anreicherung der Chromkorundkomer an der Pro ­ benoberflache mit Cr,03 eintritt. Nach Angriff der eher eisenoxidarmen Gottelbomschlacke kann eine Wiederausscheidung von Ses- quioxiden (Al,Cr,Fe)203 im probennahen Schlackenbereich beobachtet werden, wobei sich die Zu- sammensetzung dieser Sesquioxidkristalle in relativ engen Bandbreiten bewegt (Tab. 3). Der Angriff der eisenoxidreichen Spitzbergenschlacke fiihrt zur vermehrten Ausscheidung von Komplexspinellen (Mg,Fe)(Al,Cr,Fe) 204, wobei diese Ausscheidungen entweder separiert in der Schlacke in Form ideomorpher Kristalle vorliegen oder aber als Schicht an der Probenoberflache abgeschieden werden. Dabei ist die Tendenz festzustellen, dab mit steigendem Cr203-Anteil in der Probe eher und besser kristalhsierte Spinellschichten ausgebildet werden. Auf Proben des Typs Es­ kolait sind z.T. auch Spinell-Doppelschichten zu beobachten (Abb. 2).

Zusammensetzung der Ausscheidungsphasen an der Verschlackungsfront in Gexv.-% (Ergebnisse aus EDX-Analysen) MgO ai2o3 Cr203 Fe,0,* Sesquioxid: Typ 1: 79 13 8 Typ 2: 69 24 7 Tabelle 3: Zusammensetzung der Ausscheidungen im Bereich der Verschlackungsfront fur Asche G (Sesquioxidausscheidtmgen) und Asche S (Spinellausscheidungen).

142 Hinsichtlich des Verschlackungsgrades konnten fur Chromkorund C mit 30 Gew.-% Cr203 ver- gleichbar gate Ergebnisse erzielt werden wie ftir die Eskolait-Werkstoffe, was vermutlich darauf zuriickzufuhren ist, daJ3 der Chromoxidanteil im Chromkorund C im beziigMch einer Infiltration kritischen Bereich der feinkomigen Matrix konzentriert ist.

Werkstoffe auf Basis Spinell /MgCr2 04 - MgAl2 04 In Abhangigkeit von der Zusammensetzung der angreifenden Asche ergeben sich fur Werkstoffe der Spinellgruppe wiederum zwei deutlich unterschiedliche Erscheinungsbilder an der Reaktionsfront W erkstoff/S chmelze. Bei Kontakt mit Schlacken des Typs Gottelbom, d.h. bei verhaltnismaBig hohen Si02- und A1203- Gehalten sowie niedrigen Fe203-Gehalten, erfolgt in der Reaktionszone einer Zersetzung der Spi- nellphase unter Ausscheidung von eisenoxidhaltigen Sesquioxiden. Die MgO-Komponente des Spi- nells wird vollstandig in der Schlacke gelost. Im Fall des Picrochromit ist dabei die Ausbildung einer dichten Schicht von Cr203-Kristalliten, die gut mit dem Spinellkom der Probe verwachsen ist, zu beobachten (Abb. 3). Bei den Al203-haltigen Proben erfolgt die Ausscheidung der Sesquioxide eher in Form lockerer Schichten, wobei die Sesquioxidkomer vom Spinellkom der Probe durch eine Si02-reiche Glasphase getrennt sind. In Kontakt mit Al203-armeren und eisenoxidreicheren Spitzbergenschlacke verlauftt die Infiltration mit Schlacke entlang der Komgrenzen, wobei insbesondere bei den Al203-haltigen Spinellvarianten die fortschreitende Auflosung der Komgrenzbereiche bis zur Desintegration ganzer Geftigebereiche fuhrt. Im probennahen Bereich der Schlacke ist dann die Wiederausscheidung von Komplexspinel- len in Form groBer Kristallite zu beobachten, die in der Schlacke separiert vorliegen. Die Aufhahme von Eisenoxid in die Spinell-Gitter erfolgt im wesentlichen anstelle von Mg 2* und Al3+, wenn man die End- und Ausgangszusammensetzung der Proben vergleicht, wahrend der Cr203-Anteil im Durchschnitt unverandert beleibt oder geringfugig hohere Werte annimmt.

Abbildung 2: Gefugequerschnitt der Probe Eskolait B in Kontakt mit Spitzbergenschlacke. Spinelldoppelschicht auf einem Cr203-Kom. Zusammensetzung der Analysenpunkte in Gevv.-% (EDX-Analyse): (1): 8 ,6% MgO, 24,0% A1A, 29,7% Cr203, 37,5 % Fe203, (2): 7,8 % MgO, 17,9% A1203,38,2% Cr203,34,3% FeA

143 Abbildung 3: Gefugequerschnitt der Picrochromit-Probe in Kontakt mit Gottelbomschlacke. ScMcht aus Cr203- Komem (hell) mit Anreicherung an A1203 und Fe203 in der Grenzflache zur Schlacke, aufgewachsen auf ein MgCr204-Kom.

S chlu Cfolgerungen Als Ergebnis der hier vorgestellten Untersuchungen ist festzuhalten, daB als Materialien mit der hochsten Bestandigkeit Eskolait, Chromkorund Typ C (30 Gew.-% Cr203) sowie Picrochromit ge- funden warden. Die Bestandigkeit dieser Werkstoffe ist jedoch noch nicht ausreichend fur einen Langzeiteinsatz im Fltissigascheabscheider. Wird das Einzelkom hinsichtlich des Korrosionsver- haltens mit der Fltissigasche betrachtet, so ist eine steigende Bestandigkeit mit steigendem Cr,03- Gehalt im Sesquioxid- bzw. Spinellgitter zu verzeichnen. Im Vergleich zwischen Picrochromit und Eskolait kann dem Eskolait die hohere Bestandigkeit zugeordnet warden, da im Falle des Picro- chromits die Schlackenresistenz ebenfalls durch Cr203-Komer, die sich infolge der Losung der MgO-Komponente in der Schlacke als Oberflachenschicht ausbilden, verursacht wird. Die Verwendung hochchromoxidhaltiger Produkte als Abscheidermaterial zur Flussigascheabschei- dung ist jedoch insofem problematisch, als daB aufgrand der hohen CrOx-Partialdriicke eine starke Verdampfung des Cr203 eintritt, welche zur Kondensation von Cr203 in Bereichen niedrigerer Tem- peratur fuhrt, was besonders kritisch im Bereich der Turbine ist. Neben der chemischen Zusammensetzung besitzt der Gefugeaufbau der Materialien einen wesentli- chen EinfluB auf die Verschlackungsbestandigkeit. Grundsatzlich ist zunachst die Forderung nach eine minimierten offenen Porositat zu stellen. Zur weiteren Begrenzung der Infiltration des Materi­ als ist die Vermeidung kontinuierlicher Glasphasenbereiche in der Bindematrix erforderlich, da auch bei Zusatz von Zr02, dem in der Literatur eine infiltrationshemmende Wirkung zugeschrieben wird [5,11], keine wesentliche Steigerung der Verschlackungsbestandigkeit erreicht werden kann. Da letztlich auch die Komgrenzen Schwachpunkte des Gefuges hinsichtlich Infiltration und Losung darstellen, ist durch Einsatz mdghchst groBer KomgroBen eine Minimierung der Komgrenzenflache anzustreben. Die Verschlechterung des Thermoschockverhaltens durch Einsatz weitgehend dichter Materialien kann beim Einsatz der Werkstoffe als Abscheidermaterial in Kauf genommen werden.

144 Dank Das dem Artikel zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums fur Bil- dung, Wissenschaft, Forschung und Technologic unter dem Forderkennzeichen BEO 26 828 gefor- dert. Besonderer Dank gilt Herm Dr. Hannes (STEAG AG) sowie Herm Dr. Forster und Heim Dr. Pavone (Dmckkohlenstaubfeuerung GbR) fur die Ermoglichung der Untersuchungen am Pilotflus- sigascheabscheider.

Literatur

[1] K. Hannes, F. Neumann, W. Thielen, M. Pracht: “Kohlestaub-Dmckverbrennung - Ent- wicklungsstand und Anforderungen des Prozesses an die Verbrennungsfuhrung” , VGB Kraftwerkstechnik 77 (1997) [5] 393 - 400

[2] D. Pavone, M. Forster, R. Gwosdek: “Abscheidung von geschmolzenen Aschepartikeln mittels Zentrifugalkraftabscheidern unter Beriicksichtigung der systembedingten hohen Temperaturen”, VDI Berichte 1290 (1996) 245 - 264

[3] H.W. Gudenau, H. Dombusch, W. Hahn, H. Hoberg, A. Mayerhofer, S. Meimeth, T. Scharpff: “Die Gas- und Dampfturbinen(GuD)-Kraftwerkstechnologie: effiziente Stromer- zeugung aus unterschiedlichen Energietragem ”, Wissenschaft und Umwelt 4 (1992) 299 - 305

[4] D. Pavone, M. Forster, unveroffentlichter Bericht

[5] K.H. Lim: ’’Investigations and Design Considerations for the Refractory Lining of Coal Ga­ sifiers” Teil 1, Interceram 32 (1983) [4] S. 34 - 37

[6] K.H. Lim: "Investigations and Design Considerations for the Refractory Lining of Coal Ga­ sifiers” Teil 2, Interceram 33 (1984) [1] S. 21 - 26

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[8] C.R. Kennedy, R.B. Poeppel: “Corrosion Resistance of Refractoeires Exposed to Molten Acidic Coal-Ash Slags” , Interceram 3 (1978) 221 - 226

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[10] G. Boymanns: "Untersuchungen an chromoxidhaltigen Werkstoffen auf der Basis von Ma­ gnesium-Aluminium-Spinell” , Sprechsaal 127 (1994) [9] S. 290 - 293 11

[11] P. Artelt: "Zirkonoxid zur Verbesserung der Eigenschaften tonerdereicher und basischer Feuerfestwerkstoffe ”, cfi Berichte der DKG 71 (1994) [8] S. 470 - 474

145 146 4.3

Gerard Reymond, Urs Steiner, Saint-Gobain HP Refractories Venissieux France, Koln

Hochfeuerfeste Werkstoffe fiir die Druckkohlen- staubfeuerung und Kohlevergasung

147 DE99G9504

Hochfeuerfeste Werkstoffe fur die Druckkohlenstaubfeuerung und Kohlevergasung

Gerard Reymond High Performance Refractories Division, Venissieux, Frankreich Urs- Peter Steiner Saint Gobain Industriekeramik, Koln- Porz

SAVOIE REFRACTAIRES gehort zur franzdsischen SAINT GOBAIN Gruppe, Geschaftsbereich Industriekeramik. SAVOIE REFRACTIRES ist Hersteller von feuerfesten Spezialwerkstoffen fur den Hochtemperatur-bereich in der Petrochemie. Verschiedene Schwesterwerke aus der Gruppe sind mit ihrer Spezialkeramik im Bereich der Warmetauscher (SIC, NORTON- HTK, NORTON Worcester) mit an diesem Projekt beteiiigt.

Die wichtigsten Unterschiede zwischen der Vergasung und der Druckfeuerung sind der Betriebsdruck (30 bar im Vergaser und 10-16 bar bei der Druckfeuerung) und die Reaktoratmosphare (reduzierend, oxidierend). Unsere 20 jahrige Erfahrung in der jungeren Kohlevergasung zeigt, daft bei den Verschleiftmechanismen (Korrosion sowie Erosion) grofte Parallelen zwischen der Kohlevergasung und der Druckfeuerung bestehen. Diese bilden die Basis fur zukunftige Entwicklungen und Forschungen.

Nach der Erdolkrise 1973 wurden zahlreiche Projekte zur Kohlevergasung wieder aufgegriffen und neue kamen hinzu. Schnell stellte sich heraus, daft die vorhandenen und hauptsachlich in der Stahiindustrie verwendeten chromoxydhaltigen feuerfesten Werkstoffe nicht ausreichen. SAVOIE REFRACTAIRES entwickelte daher neue Steinqualitaten mit einem hoherem Gehalt an Chromoxyd und mit einem Zirkonzusatz auf der Basis eines AZS- Schmelzkornes. Die erfolgreichen ersten Versuche mit der Qualitat Z1RCHROM 60® fanden im Reaktor der Ruhrchemie, heute Celanese, in Oberhausen statt.

Die Technologie der TEXACO- Kohlenvergaser setzte sich in den USA durch. Die Weiterentwicklung fand daraufhin wegen der enormen Steinkohlenvorrate in der Volksrepublik China statt. Die veranderte Basizitat in der Kohlenschlacke, hervorgerufen durch die hohen Kalkgehalte, erforderten neue angepaftte Qualitaten. So haben wir die Qualitat ZIRCHROM 80® entwickelt und darauf aufbauend - mit ausgeZeichneter Temperaturwechselbestandigkeit (TWB) und einer guten Schlackenbestandigkeit - die Qualitat ZIRCHROM 90® mit ca. 90 % Chromoxyd. Gegentiber extrem korrosiven Schlacken reicht ZIRCHROM 90® nicht aus. Die neuste Entwicklung als ZIRCHROM 800® wird zur Zeit in mehreren industriell betriebenen Anlagen grofttechnisch gepruft. Erste representative Ergebnisse bestatigen die Laboruntersuchungen.

In der Qualitat ZIRCHROM 800® besitzen wir einen Werkstoff mit der ausgezeichneten TWB eines ZIRCHROM 90® und einer hervorragender Schlackenbestandigkeit. Er ist ein Werkstoff der aus heutiger Sicht in Grenzsituationen den Durchbruch bringen kann. ZIRCHROM 800® wird in der Versuchsanlage in Dorsten an Schlusselstellen gepruft und hat bis heute gute Ergebnisse abgeliefert. Wir denken, daft wir in Dorsten ebenfalls erfolgreich sein werden.

Inzwischen haben auch SHELL und DOW CHEMICAL den Anschluft geschafft und benotigen ebenfalls dem Prozeft und der Vielfalt der Kohienqualitaten angepaftte feuerfeste Werkstoffe. Es geht welter! Standzeiten von 6000 bis 8000 Betriebsstunden sind heute bei den gangigen Verfahren mit angepaftten feuerfesten Werkstoffen Standard. Bei moderater BetriebsfOhrung sind langere

148 Reisen keine Seltenheit. Die Forderung nach langeren Standzeiten seitens der Industrie sind da und vielleicht 1st ZIRCHROM 800® der nachste Schritt.

Aspekt FEUERFEST UND UMWELT: Chromoxyd ist seit vielen Jahrzehnten ein anerkannter und in vielen Fallen durch nichts zu ersetzender Zuschlagstoff in der Feuerfesttechnik. Viele Schmelzprozesse mit ihren hohen Qualitatsanspruchen wahren technisch ohne Chromoxyd nicht durchfuhrbar. Technisch reines Chromoxyd ist ein sehr teurer Zuschlagstoff. Aus rein okonomischer Sicht ist dies ein Grund reines Chromoxyd nur da einzusetzen wo es keine anderen Ldsungen gibt. Nicht Oder nur geringfugig kontaminierter Ausbruch kann durch Recycling z.B. Ruckgewinnung des Chromoxyd, Oder als Beimischung fur neue Steine verwendet werden. Dies erfolgt heute schon in kleinem Versuchsmadstab. Die emster zu nehmende Situation ist der Austrag von Chromoxyd durch die Schlacke und das Rohgas. Urn den Austrag zu minimieren Oder zu inertisieren stehen uns heute konstruktiv und verfahrenstechnisch aufgrund der hohen Temperaturen nur begrenzte Moglichkeiten zur

Verfugung. Unser Ziel mud es sein, neben der Suche nach chromfreien Werkstoffen das schon hohe Qualitatniveau bestehender Werkstoffen so zu verbessern, das die Verschleidrate Gramm Chromoxyd zu Tonne Schlacke unter den Grenzwert fallt.

Wir hoffen, Ihnen bei nachster Gelegenheit uber weitere Entwicklungen und deren Ergebnisse berichten zu konnen.

149 Casificati SAVOIE REFRACTAIRES has been supplying complete refractory linings for gasifiers for over 30 years. Our dense or insulating high alumina special shapes for oil or gas fired units are known worldwide. We also provide suitable monolithics. including mortars and castables.

Savoie Refractaires has been the leader since the late 70's in refractory linings for coal gasification units and we are developing a complete range of refractories based on chromium oxide for the hot face layer. We can offer several products specifically engineered for low wear or high wear areas.

Our chrome-zirconia [ZIRCHROM] bricks have been installed successfully in more than 15 reactors.

Norton High Performance Refractories has been providing superior refractory lining designs and materials for high pressure, partial oxidation gasifiers for over 45 years. In addition to providing refractory lining designs and materials, NORTON also offers refractory installation supervision plus technical support for lining inspection and problem solving.

NORTON manufactures dense and bubble alumina bricks, special shapes, mortars and castable cements for gasifiers with gas or oil feedstocks. The NORTON refractory engineering advantages of exceptional shape forming capability, dimensional accuracy, quality, consistency, strength and purity have resulted in refractory linings that have always given trouble-free service life.

[Resignation

High alumina brick

Bubble alumina brick

Fireclay superduty brick

High alumina dense castable

Bubble alumina castable

Chrome alumina brick

Zirchrom bricks

Chrome alumina castable

150 savoie; REFRACTAIRES

COMPARISON CHART

ZC 60 ZC 80 ZC 90 ZC 800

CHEMICAL ANALYSTS (%)

Cr203 62 80 86 77 ALO3 17 9 7 9,2 Si02 9 5,5 - 2,2 Zr02 12 5,5 7 7,5

PHYSICAL CHARACTERISTICS

Bulk density (g.cm" ’) 3,84 4 4,2 4

Apparent porosity (%) 10 11 16 14

Cold crushing strength (MPa) 210 200 120 180

October 28th. 1997

151 ZIRCHROM 60

R6f.: 22 10 09/6

Date: February 1993

This information represents average properties and cannot be considered as a guaranteed specification.

Type of product REFRACTORY BRICK

AFNOR classification Special product with a zircon, alumina and chromium oxide basis

CHARACTERISTICS Standards or Units Typical methods values

CHEMICAL ANALYSIS

Cr203 AFNOR % 62 ai2o3 or % 17 Zr02 suitable method % 12

PHYSICAL CHARACTERISTICS

- Bulk density ISO 5017 g.cm* 3 3,84

- Apparent porosity ISO 5017 % 10

- Crushingstrength at AFNOR NFB 40322 MPa 210 ambiant temperature

- Modulus of rupture at 1500°C ASTM C 583 MPa 5

- Creeping under 0,2 MPa AFNOR NFB 49107 % 0,4 atI500°C

- Coefficient of thermal expansion 10-%-' 7.5

- Thermal conductivity at 1000°C ISO 8894-2 W.nr'.K'1 2,9

- Tolerances of dimensions By attribute % ± 1 minimum value AQL 6.5 % mm ± 1,5

Recommended jointing product:

- Mortar CR 100

Services commerciaux 4, rue de ['Industrie - B.P. 76 69633 VENISSIEUX Cedex Tel. 04 78 78 14 00 - Telex 301 421 F SAVOIE) REFRACTAIRES Fax 04 78 78 14 65 N° TVA CEE ■ FR 95 331 292 599 153 4.4

Prof. Dr. techn. R. Leithner, Dipl.-lng. C. Ehlers, Institut fur Warme-und Brennstofftechnik, TU Braunschweig Dipl.-lng. K. Himmelstein, Prof. Dr.-lng. H. R. Maier, Institut fur Keramische Komponenten im Maschinenbau, RWTH Aachen

Kombianlagen mit Kohlenstaubfeuerung

154 DE99G9503 Kombianlagen mit Kohlenstaubfeuerung Beitrag zum Statusseminar „Druckkohlenstaubgefeuerter GasturbinenprozeB“, Essen, 17.11.1998

Prof. Dr. techn. R Leithner, Dipl.-Ing. C. Ehlers, TU Braunschweig, Institut fur Warme- und Brennstoffiechnik DipL-Ing K Himmdstdn, Prof Dr.-Big HR Maier, RWIH Aachen, Bistkut fur Keramische Komponenten im Maschinenbau

Einleitung Die heutigen Bemuhungen zur Realisierung einer kohlenstaubgefeuerten Gastorbine in einem Kombikraftwerk konnen mit den HeiBluftturbinenanlagen mit Kohlenstaubfeuerung (Ackeret-Keller- Anlagen) von Escher Wyss auf Vorgangeranlagen zuriickblicken, mit denen seit den 50er Jahren gute Erfahrungen gemacht wurden. Diese Anlagen erreichten elektrische Wirkungsgrade bis 30%. Femer werden Kombianlagen mit Druckwirbelschichtfeuerung ebenfalls schon seit einigen Jahren industriell genutzt. Die Wirkungsgrade der druckaufgeladenen Wirbelschichtfeuerung sind jedoch durch die Bettemperatur auf 43% bis 45% beschrankt. Weitere Wirkungsgradsteigerungen erhofft man vom EFCC (Externally Fired Combined Cycle)- ProzeB mit indirekter Feuerung und Hochtemperaturwarmeaustauscher und von Kombiprozessen mit Kohlenstaubdmckfeuerung und direktbefeuerter Gasturbine, die sich zur Zeit im Stadium der Forschung und Entwicklung beBnden.

HeiBIuftturbinenanlagen mit Kohlenstaubfeuerung und Kraft-Warme-Kopplung Mit Forschungsarbeiten fur Gasturbinen wurde bei Escher Wyss im Jahre 1920 begonnen. Damals stieB man aber bei den Stromungsmaschinen und Materialien auf unldsbare Probleme. Als der technische Stand des Turbinen- und Kompressorbaus genugend fortgeschritten war, schlugen Prof. Dr. I. Ackeret und Dr. C. Keller den geschlossenen Gasturbinenkreislauf mit Luft, C02 oder z.B. Helium vor. Erste Versuche dazu wurden 1944 an der ETH Zurich durchgefuhrt [2], Es folgte 1946-1949 der Bau einer 12,5 MW-Anlage fur die Zentrale St. Denis der EDF; eine ahnliche Anlage baute John Brown & Co. Ltd in Schottland (s. Tabelle 1). Beide Anlagen hatten erhebliche Anfangsschwierigkeiten. Im Dezember 1955 ging bei Escher Wyss Ravensburg eine HeiBluftturbinenanlage mit Kohlenstaubfeuerung in Betrieb, die erst in den 80er Jahren nach ca. 200 000 Betriebsstunden stillgelegt wurde. Diese Anlage, nach Ackeret und Keller auch AK-Anlage genannt, wurde von Escher Wyss AG Zurich, Escher Wyss GmbH Ravensburg und Gutehoffhungshutte Sterkrade AG geplant und gebaut. Die Kohlenstaubfeuerung Iieferte die Kohlenscheidungsgesellschaft (KSG mbH), Stuttgart (heute ALSTOM Energy Systems GmbH, Stuttgart). Eine Beschreibung der Anlage findet sich in [1] und [2], woraus die folgende gekiirzte Darstellung entnommen ist.

Arbeitsweise der HeiBluftturbinenanlage Ravensburg Abbildung 1 zeigt das Prinzipschema der Anlage Ravensburg. Die aus dem Vorkuhler V stromende Arbeitsluft (7,1 bar / 20°C) wird durch den dreistufigen Radialkompressor C mit einer Zwischenkuhlung Z auf 27,5 bar /122°C verdichtet. Die komprimierte Luft wird im Warmetauscher W durch die aus der Turbine T austretende heiBe Luft auf etwa 400°C und anschlieBend in den Rohrschlangen des Lufterhitzers L weiter auf660°C erhitzt. Die heiBe Luft wird in der Turbine von 26,2 bar auf etwa 7,3 bar expandiert. Sie treibt mit etwa 2/3 ihrer Leistung den Kompressor C und mit 1/3 der Leistung den Generator G an. Die mit 420°C aus der Turbine austretende Luft durchstromt den Warmeaustauscher W, wo sie sich im Gegenstrom zur verdichteten Luft auf 147°C abkuhlt. Im Vorkuhler wird ihre Temperatur wieder auf 20°C gebracht. Der Luftstrom betragt bei Vollast ca. 24 kg/s. Das Erhitzen der Luft im Lufterhitzer L erfolgtdurch Verfeuem von Steinkohlenstaub. Die Kohle wird je nach Leistung einer oder zwei Kohlenmuhlen K zugefuhrt. An Stelle von Kohle kann auch 01 gefeuert werden, das zum Zunden der Staubflamme in geringen Mengen fur jeden Start gebraucht wird. Die Verbrennungsluft wird in einem Luftvorwarmersystem (rotierender Ljungstrom-Vorwarmer, in Abbildung 1 als Rohrschlange gezeichnet) auf etwa 400°C erwarmt. Im ersten Zug mit Deckenfeuerung (Strahlungsteil) geht etwa 70% der dem Kreislauf zugefuhrten Warmeenergie an die senkrecht im Kreis angeordneten, unter sich parallel geschalteten Erhitzerrohre tiber. In der Umlenkung zwischen erstem und zweitem Zug bleibt der groBte Teil der Kohlenasche in den Aschetrichtem zuruck. Im zweiten Zug (Konvektionsteil) geben die Gase die restliche Warme an ein System von parallelgeschalteten Rohrschlangen ab. Konvekdons- und Strahlungsteil sind in Reihe geschaltet. Nach einer Entstaubung werden die noch etwa 170°C warmen Rauchgase durch das Geblase R abgesaugt und in den Schomstein geblasen. ■, c ft'M'Mi 1^11^" .c. u

Abbildung 1: Schaltschema der HeiBluftturbinenanlage Ravensburg [2]

Die in den beiden Kreislanfkuhlem V und Z abzufuhrende Kompressorwarme und Warmetauscher- Restwaime wird von einem Heizwassersystem aufgenommen, mit dem Heizleistungen von 2,4 bis 4,1 MW erzielt warden konnen. Zur Regulierung der Leistung wird lediglich die zirkulierende Luftmasse verandert. Sie ist bei gleichbleibenden Kreislauftemperaturen dem Druck vor dem Kompressor proportional. Um den geschlossenen Kreislauf aufzuladen, sind zwei Hilfskompressoren HI und H2 vorhanden. Die in der Speicherflasche S gespeicherte Hochdruckluft von etwa 39,2 bar kann in kiirzester Zeit durch das HD- EinlaBventil H in den Kreislauf gelassen werden, was eine schlagartige Belastung der Anlage ennoglicht. Eine schnelle kurzzeitige Entiastung laBt sich durch Offhen des Bypass-Ventils B erzielen, indem ein KurzschluB zwischen Kompressorein- und -austritt hergestellt wird. Fur dauemde Entiastung laBt man durch das AuslaBventil A eine entsprechende Menge Luft ausstromen, wobei der zirkulierende Luftstrom abnimmt. Diese Reguliermethode - Luftein- bzw. -auslaB - gestattet, fur den gesamten Leistungsbereich mit maximaler Temperatur vor der Turbine zu arbeiten, was eine sehr gute Wirtschaftiichkeit auch bei Teillast ergibt.

Betriebserfahrungen in der HeiBluftturbinenanlage Ravensburg In [5] wird ausfuhrlich fiber dreijahrige Betriebserfahrungen in Ravensburg nach ca. 15.000 Betriebsstunden berichtet Wahrend im ersten Jahr noch zahlreiche Ausfalle durch Stonmgen und Anderungen zu verzeichnen waren, trat im Jahr 1957 nur noch eine ungewollte Unterbrechung auf. Im wesentiichen erfullten die Bauteile - zumindest nach den Anderungen - die Erwartungen. Bemerkenswert ist, daB auch der Lufterhitzer - das einzige vdllig unerprobte Bauteil - nach kleineren Anderungen 1959 auf einen zweijahrigen storungsfreien Betrieb verweisen konnte, obwohl hier Rohrtemperaturen bis ca. 740°C auftreten. Das Teillastverhalten der Anlage ist aufgrund der beschriebenen Druckpegelregelung durch nur gering abfallende Wirkungsgrade gekennzeichnet. Dieses gunstige Teillastverhalten ist ein wesentiicher Unterschied zu offenen Gasturbinenprozessen, wie den nachfolgend beschriebenen EFCC- und PPCCCC-Prozessen, deren Wirkungsgrad bei Teillast stark abfallt. In [6] wird berichtet, daB bei haufiger Reinigung der Schlackenbelag nur lose auf den Rohren des Lufterhitzers haftet und leicht durch Drucklufteinblasung entfemt werden kann. Wartet man aber mit dem RuBblasen linger als acht bis zehn Tage, wird der Schlackenansatz zu stark, so daB er an der Oberflache schmilzt und durch RuBblasen nicht mehr entfemt werden kann. 156

Aden

000

1500 130 1963 8220 Deutschland HKW Grubengas, Steinkohle 6,4 7,8 5 Haus 6,4 9,1 680 30,4 29,5 90 40 axial 9+6 axial 20 22 Clydebank

Ltd.,

Tokio 000

13 18,6-27,9 14,3 1960 Oberhausen GHH HKW Steinkohle 710 31,4 29,5 6600 3000 710 325 Deutschland 30 7,8 90 axial 9+10 axial 6 40 36 Kaislia,

(Clydebank)

1961

Denki

Co., 000

& 10 12 1000 Fuji Kraftwerk Hochofen- 6600 5+5+10 Kokan gas 6,6 680 29 3000 - - - - axial axial 6 Ende Nippon Japan 25 28,4 25 Kabushiki

Brown

Denki

AG

000 Fuji John

= = 10 1961 15 12 6600 870 Russland EW 6,9 28 3000 280 75 9,3-11,6 axial 9+10 axial 6 HKW Braunkohle 20 680 28,4 45 Nowo- kaschirsk

radial

Denki 000

Brown

1961 110 100 HKW 7,2 8220 5 GHH Steinkohle 6 6,6 680 3000 240 8,1-16,3 axial, Coburg Deutschland 20 27,0 28 40 6+7+1 axial 33 J. Fuji 750

Brown

[41 1960 12 1500 schlamm 7,8 5 Kraftwerk Kohle- 2 2 30 660 28,4 22 360 - Rothes Schottland J. - - - radial 3 axial

[3],

750

Brown

1959 12 1500 Kraftwerk 2 2,2 25 7,8 660 28,4 24 200 - - axial Altnabreac Schottland J. Torf - - radial 3 Bauweise

Denki,

000 000

1957 13 Kraftwerk 7,1 5 50 Fuji EWAG 2 20 660 26,5 26 3000 230 2 - - - - radial 3 axial Japan Naturgas Toyotomi Oberhausen-Sterkvade vereinfachter

in

AG,

AG, GmbH,

750 000

Ravensburg 12 1956 5 55 2 7,1 660 25 70 EW GHH HKW Steinkohle 70-90 45 2,4-4,1 radial 3 axial 2,3 20 26,5 3000 200 Ravensburg Deutschland EW

Sterkrade

Zurich

/h /li 3 3 AG, GmbH,

°C °C °C °C MW % U/min MW MW bai' m m bar U/min

1965

Wyss Wyss

HeiBluftturbinenanlagen

Elide

Escher Gutehoffnungshiitte Escher

bis Kompressor Turbine = = =

vor vor

Kompressor Realisierte Turbine Kompressor Turbine

1:

vor vor

Dauerleistung

GmbH AG

erwendungszweck

Wdrmeleistung EW GHH Inbetriebnahme Betriebsstunden EW Stufenzalil Stufenzalil Kompressortyp Heizwassennenge Vorlauftemp. Riicklauftemp. Generator-Drehzalil Kuhlwassennenge Dmck Max. Brennstoff Klemmenwirkungsgrad Druck V Land Hersteller Anlage Turbinentyp Turbinendrehzahl Temperatur Temperatur Nennleistung Tabelle 157 In [4] wird auf die auBerordentliche Zuverlassigkeit der Anlage in Ravensburg hingewiesen. Ende 1961 erreichte diese 30.500 Betriebsstunden, wobei fiber mehrere Jahre keine ungewollte Betriebsunterbrechtmg anftrat. Bin Vergleich von Messungen von 1959 raid 1961 [2] zeigte, dab der Wirkraigsgrad der Anlage nicht abnahm.

Ubersicht fiber weitere gebaixte Anlagen Realisierte HeiBluftturbinenanlagen ahnlich der beschriebenen sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Heliumturbinen fur Hochtemperaturreaktoren Neben der Beheizung mit fossilen Brennstoffen spielten schon sehr frfih (1945) [6] auch Uberlegungen eine Rolle, den AK-ProzeB fur die Umwandlung der Kemenergie einzusetzen. In [7] wird fiber eine Versuchsanlage fur solche Zwecke berichtet, in der ein mit Koksofengas befeuerter Heliumerhitzer (max. Temperatur des Heliums 753°C bei ca. 28 bar) verwendet wurde. Die Auslegung raid Konstruktion von Warmetauschem fur solche Anlagen ist in [8 ] beschrieben.

EFCC (Externally Fired Combined Cycle)-ProzeB Die vielversprechendsten heute verfolgten Konzepte fur Kohlekraftwerke mit maximalem Wirkungsgrad sind kohlenstaubgefeuerte Kombikraftwerke. Die Varianten unterscheiden sich hinsichtlich der Schaltung vor der Gasturbine, deren Arbeitsgas hochstens noch einen Bruchteil der Kohlenasche aus der Verbrennung mitfuhren darf. Die erzielbare Gasturbineneintrittstemperatur ist maBgeblich fur den elektrischen Gesamtwirkungsgrad der Anlage. Zu diesen Konzepten gehort der EFCC (Externally Fired Combined Cycle)-Proze6, der besonders in den USA unter Ftihrung des Department of Energy (DOE) in den 80er Jahren Gegenstand intensiver Forschungstatitgkeit war. Wie beim Vorganger, dem AK-ProzeB, wird durch die indirekte Feuerung eine Beaufschlagung der Gasturbine mit Asche vermieden.

Zykton- j schmetzfeuerung ,

Kohlc

Asche

Gasturbine Verdichter

Kuhlluft

Abbildung 2: Prinzipschaltbild des EFCC-Prozesses

In [9] werden mogliche Varianten des EFCC-Prozesses dargestellt. Grundsatzlich handelt es sich ran einen offenen GasturbinenprozeB mit Abhitzekessel (s. Abbildung 2). Die Beheizung des Gasturbinenprozesses erfolgt fiber einen Hochtemperaturwarmeaustauscher gegen eine atmospharische Kohlenstaubfeuerung, die die Turbinenabluft als Verbrennungsluft nutzt. Dadurch bedingt wird die Turbine ebenso wie beim AK-ProzeB mit Luff beaufschlagt, was Erosions- und Korrosionsprobleme durdiStaub und Alkaliverbindungen an der Gasturbine veimeidet. Der HT-Warmeaustauscher ist einer sehr hohen thermischen Belastung ausgesetzt, fur Turbineneintrittstemperaturen oberhalb etwa 1100°C ist daher die Wahl eines keramischen Werkstoffes zu favorisieren. Der Warmeaustauscher wird auf einer Seite mit dem stark aschehaltigen Rohgas beaufschlagt. Daher sind Verschlackungsprobleme zu beachten, auch wenn das Abgas zuvor einer Grobentstaubimg unterzogen wird. Weiterhin muB der Warmeaustauscher auch der Druckdifferenz standhalten, die zwischen der aufgeladenen Luft und dem atmospharischen Verbrennungsabgas besteht. U.a. aufgrund von Dichtungsproblemen wurde das Konzept bisher nicht technisch umgesetzt, wird jedoch u.a. mit Forderung durch die EU weiter verfolgt.

KombiprozeB mit Kohlenstaubdruckfeuerung (PPCCCC-ProzeB) Altemativ zum EFCC-ProzeB besteht die Moglichkeit, die Gasturbine direkt zu befeuem. Diese Variante, der PPCCCC-ProzeB (Pressurized Pulverized Coal Combustion Combined Cycle), bedingt eine Verbrennung des Kohlenstaubes beim Verdichterenddruck. Varianten ergeben sich hier durch die unterschiedlichen Verfahren zur Abscheidung der Kohlenasche, die oberhalb der Ascheschmelztemperatur oder imterhalb der Ascheerweichungstemperatur erfolgen kann.

KombiprozeB mit Kohlenstaubdruckfeuerung und HeiBgasreinigung Als eine Moglichkeit kann der Kohlenstaubdruckfeuerung eine Gasreinigung nachgeschaltet werden, die bei Turbineneintrittstemperatur oder daruber betrieben wird, so daB die Asche in Form zah- oder dunnflussiger Pardkel vorliegt (Abbildung 3). Dieses Konzept der Flussigascheabscheidung wird seit Ende der 80er Jahre experimentell in Dorsten bei Essen untersucht [10]. Aufgrund der Eigenschaften der Kohlenasche ist die Fliissigabscheidung jedoch nach wie vor mit Problemen behaftet (mangelhaftes AbfluBverhalten in den Filtem, Hochtemperaturkorrosion des Filtermaterials, ungenugende Abscheidegrade von Asche und Alkalikomponenten).

! Kchle

Asche

Asche

Verdichfrer

Kuhtluft

Abbildung 3: Prinzipschaltbild des Prozesses mit Kohlenstaubdruckfeuerung (PPCCCC)

KombiprozeB mit Kohlenstaubdruckfeuerung und keramischem Warmeaustauscher Angesichts der genannten Problematik wurde am Institut fur Warme- und Brennstofftechnik der TU Braunschweig eine Schaltung entwickelt, die mit einer Abscheidung der Aschepardkel im festen Zustand nach dem Stand der Technik arbeitet. Auch hier handelt es sich um ein Kombikraftwerk mit

159 Kohlenstaubdruckfeuerung, wobei zwischen Gasturbine und Gasreinigung zusatzlich ein Hochtemperaturwarmeaustauscher geschaltet ist (Abbildung 4) [11],[12],[13], Die Feuerung eines solchen Kraftwerkes ist vorzugsweise als Zyklonschmelzkammer ausgefiihrt, um bereits in der Brennkammer einen groBen Anted der Kohlenasche abzuziehen. Eine nachgeschaltete Quenche mit Luft kiiMt das Rauchgas vor dem Eintritt in den Warmeaustauscher ab. Nach Durchlaufen des Warmeaustauschers wird mit einer weiteren Luftquenche die Gradigkeit eingestellt. Es folgt die Abreinigung der nunmehr festen Aschepartikel mittels keramischer Filterkerzen, denen ein Gaszyklon vorgeschaltet sein kann. Vor der Staubabscheidung kann auch eine NOx-Minderung durch das SNCR- Verfahren und eine SOa-Minderung nach dem Trockenadditiwerfahren durchgefuhrt werden. Femer erscheint durch Adsorption an die abgeschiedene Asche auch eine Entfemung von unerwiinschten Alkaliverbindungen aus dem Abgas moglich. Das gereinigte Rauchgas wird anschlieBend im Warmeaustauscher im Gegenstrom zum Rohgas wieder auf die Gasturbineneintrittstemperatur erwarmt. Wie beim EFCC-ProzeB ist wegen der hohen Temperaturen ein keramischer Warmeaustauscher erforderlich, der auf einer Seite mit dem nur grobentstaubten Rohgas beaufschlagt wird. Dieser Warmeaustauscher stellt aufgrund der Problematik moglicher Verschlackungen und moglicher korrosiver AngrifFe das kritischste Bauteil des Kreislaufs dar, die mechanische Belastung ist jedoch im Gegensatz zum EFCC-ProzeB gering, da nur der Dmckverlust der Gasreinigung als DmckdifFerenz wirksam ist. AuBerdem wirken Undichtigkeiten nicht wirkungsgradmindemd; d.h. der keramische Warmeaustauscher muB zwar staubdicht aber nicht gasdicht sein.

Keramischer Warmeaus­ tauscher i Kohle Abhitze- kessel

Asche

Asche

Verdichter

Abbildung 4: PPCCCC-ProzeB mit Kohlenstaubdruckfeuerung und keramischem Warmeaustauscher

Die erreichbare Temperatur der Gasreinigung, die nach Erfahrungen aus der Wirbelschichttechnologie bei etwa 850 bis 950°C liegt, hangt insbesondere vom Verhalten der Kohlenasche ab, da ein Zusetzen der Filter durch Verbackungen vermieden werden muB. Je niedriger der Ascheerweichungspunkt der Kohle liegt, desto grdBer muB der Warmeaustauscher sein, um die Gasreinigungstemperatur einzustellen. In jedem Fall kann dieses Bauteil aber wegen der geringeren Aufheizspanne deutlich kleiner sein als beim EFCC-ProzeB. Die Betriebstemperatur am heiBen Ende des Warmeaustauschers, die fur den Wirkungsgrad der Anlage entscheidend ist, kann durch Verschlackungsprozesse auf der Rohgasseite beschrankt sein, da hier ein Uberschreiten der Ascheschmelztemperatur zumindest eine Reinigungsstrategie erforderlich macht. Liegt die Reingasaustrittstemperatur des Warmeaustauschers unterhalb der technisch realisierbaren Gasturbineneintrittstemperatur, kann die Brennkammer als letzte Stufe der Aufheizung genutzt werden, indem die Zyklonschmelzfeuerung dutch das wiederaufgewarmte Rauchgas gekuhlt wird. Die dabei erreichbare Aufheizspanne wird zur Zeit mit Hilfe des am IWBT entwickelten Energiebilanzierungsprogrammes EnBiPro [14] xmtersucht. In [15] wird ahnlich der beschriebenen Schaltung eine als Warmeaustauscher genutzte Schmelzbrennkammer vorgeschlagen, in der dutch sehr hoch gewahlte Temperaturen ein standiger AbfluB der Asche auf der Primarseite erfolgt. Die Gasreinigungstemperalur wird dutch eine nachgeschaltete Mischkammer mit Luftquenche erreicht, die gesamte Wiederaufheizung geschieht in einem ringformigen Kanal um die Brennkammer. Hier tiitt jedoch die Frage der ausreichenden GroBe und der Hochtemperaturkorrosion der keramischen Brennkammerwand stark in den Vordergrund.

Praktische Erprobung ernes keramischen Versuchswarmeaustauschers Der keramische Hochtemperaturwarmeaustauscher hinter der Brennkammer, der vorzugsweise als Rohrbiindelapparat ausgefiihrt wird, ist bislang noch nicht technisch realisiert worden. Zur Erprobung eines solchen Warmeaustauschers wird an der TU Braunschweig im Rahmen eines BMBF-gefbrderten Projektes gemeinsam mit dem Institut fur Keramische Komponenten im Maschinenbau (IKKM) der RWTH Aachen eine Hochtemperatur-Versuchsanlage enichtet (Abbildung 5). Die Anlage dient insbesondere dem Studium des Betriebsverhaltens bezuglich Verschlackung, Hochtemperaturkorrosion und Staubdichtheit und der Beurteilung des Betriebes in Verbindung mit einer HeiBgasentstaubung. Die Versuchsanlage besteht aus den Hauptkomponenten Brennkammer, Warmeaustauscher, Gaszyklon und Filterkerzen. Die Anlage wird zur Vereinfachung bei Umgebungsdmck betrieben und enthalt keine Gasturbine. Die Kohlenstaubfeuerung wird dutch eine Erdgasfeuerung mit einer Maximalleistung von 20 kW und eine kontinuierliche Zugabe von Kohlenasche in die Brennkammer simuliert. Nebenaggregate sind die Aschedosierung, isokinetische Absaugungen, ein Luftvorwarmer und ein Saugzuggeblase. Die Rohrleitungen und Apparate im Bereich der Gasreinigung bestehen aus hitzebestandigem Stahl mit elektrischer Begleitheizung und Mineralfaserisolierung.

Druddufl

Keramlk- warme- Gaszyklon austauscher

Abbildung 5: Versuchsanlage mit keramischem Hochtemperaturwarmeaustauscher

Das IKKM Aachen fuhrt eine keramikgerechte FEM-gestiitzte Konstruktion des Warmeaustauschers und der Brennkammer und eine auf Experimenten basierende Werkstoffwahl durch. Hierzu wird zunachst mit Hilfe von Schmelzkorrosionsversuchen in verschiedenen Aschen eine Werkstoffvorauswahl getroffen. Mit der gegenuber flussiger Asche bestandigsten Keramik (SiSiC) werden anschlieBend Auslagerungsversuche in verschiedenen Gasatmospharen durchgefuhrt. Eine vergleichende Kennwertermitdung vor bzw. nach Auslagerung liefert Aussagen uber den Grad der Korrosion. Die Daten dienen als Input fur eine FEM-Analyse. AnschlieBende Berechnungen mit Hilfe des IKKM-Postprozessors RELACS quantifizieren den EinfluB der Korrosion auf die Ausfallwahrscheinlichkeit der untersuchten Komponenten. Diese Vorgehensweise tragt somit dem Ansatz des IKKM, die technische Keramik berechenbar, priifbar, reproduzierbar und damit zuverlassig und wirtschafdich einsetzbar zu machen [16], anschaulich Rechmmg. Die Beteiligung des Keramikherstellers Norton-Cesiwid, Erlangen, an dem Projekt sorgt fur eine fertigungsnahe Auslegung, weiterhin beteiligen sich die Industriepartner ALSTOM Energy Systems, Stuttgart, PreussenElektra, Hannover und 3M, Neuss an dem Projekt (BMBF-AZ 0326835 A/B).

Literatur:

[1] Bammert K., Keller C., Kress H. : HeiBhiftturbinenanlage mit KoMenstaubfeuerung fur Stromerzeugung und Heizwarmelieferung, BWK Bd. 8 (1956) H.10 S. 471-478 [2] Frutschi H.: Kohlenstaubgefeuerte HeiBluftturbinen mit geschlossenem Kreislauf, Escher Wyss Ravensburg, Firmenprospekt Nr. 23052d [3] Taygun F.: Die Gasturbine mit geschlossenem Kreislauf als Mehrzweck-Anlage, Schweizerische Bauzeitung 84. Jg. Heft 10, 10. Marz 1966 [4] Taygun F.: Die HeiBluftturbine als reiner Stromerzeuger und als Heizkraftwerk, Kraft, Licht, Warme; Escher Wyss Zurich, Firmenprospekt Nr. 23050d [5] KreB H.: Drei Jahre Betriebserfahrungen mit einer kohlenstaubgefeuerten HeiBluftturbine, BWK Bd. 11 (1959) Nr.5, S. 223-233

[6] Stoffel: Erfahrungen mit der kohlenstaubgefeuerten 2000/2300 kW - HeiBluft - Turbinenanlage bei der Escher-Wyss G.m.b.H. Ravensburg, Mitteilungen der Vereinigung Industrielle Kraftwirtschaft Nr. 5/6, 15.12.1956 [7] Innocente G., Wydler H., Halzl I. : Heliumerhitzer fur die Heliumturbinenanlage der Energieversorgung Oberhausen, EVT-Register 33/1977 Seite 36-43

[8 ] Bammert K., Klankens H., Mukherjee S.K. : Auslegung und Konstruktion von Warmetauschem fur geschlossene Gasturbinenanlagen, BWK 22 (1970) Nr. 6, Juni S.275-279. [9] Edelmann, H. Stahlmuller, F.: EFCC - ein zukunftiges Konzept fur Kohle-Kombi-Kraftwerke ?, VBG Kraftwerkstechnik (77) 1997, Heft 7, Seite 537-543 [10] Hannes, K., Neumann, F., Thielen, W., Pracht, M. : Kohlenstaub-Druckverbrennung - Entwicklxmgsstand und Anforderungen des Prozesses an die Verbrennungsfuhrung, VBG Kraftwerkstechnik 77 (1997), Heft 5, S. 393-400 [11] Wang, J., Leithner, R.: Konzepte und Wirkungsgrade kohlegefeuerter Kombianlagen, BWK Band 47 (1995), Nr. 1/2, S. 11-17

[12] Wang, J., Leithner, R. : Coal Fired Combined Cycles: Advanced Concepts and higher Efficiencies, ASME CogenTurbo Power ‘95, Wien 1995 [13] Loehr, T., Dobrowolski, R., Ehlers, C., Leithner, R. : Simulation und Optimierung einer Kombianlage mit Kohlenstaubdruckfeuerung und keramischem Warmetauscher, VBG-Konferenz Forschung fur die Kraftwerkstechnik 1998, Essen 1998

[14] Stamatelopoulos, G.: Berechnung und Optimierung von Kraftwerkskreislaufen, Dissertation, Technische Universitat Braunschweig, VDI-Fortschrittberichte Reihe 6, Nr. 340, VDI-Verlag, Dusseldorf, 1996 [15] Neumann, F. : Untersuchungen zur Auslegung eines Hochtemperaturwarmeaustauschers fur die Integration in einem kombinierten Gas- und Dampfturbinen-ProzeB mit dmckaufgeladener Kohlenstaubfeuerung, Dissertation, Ruhr-Universitat Bochum, VDI-Fortschrittberichte Reihe 6, Nr. 343, VDI-Verlag, Dusseldorf 1996

[16] Maier, H.R.: Produkdnnovation mit keramischen Komponenten, IKKM/IPAK-Seminar 1996, Trans-Aix-Press, Aachen 1996 (ISBN 3-931814-51-3)

162 5.

Themenbereich:

GuD-Prozess mit Druckkohlenstaubfeuerung

5.1

Prof. Dr.-lng. I. Romey, Fachgebiet TEE, Universitat GHS Essen

GuD- Prozesse fur den Einsatz von Kohle CXX Druckflamm-Seminar Universitat-GH Essen Zeche Zollverein, 17. November 1998 TEE u GuD-Prozesse fur den Einsatz von Kohle DE99G9502 Prof. Dr.-lng. Ingo Romey, Dipl.-lng. Helmut Rode, Dipl.-lng. Michael Schuknecht Universitat Gesamthochschule Essen Technik der Energieversorgung und Energieanlagen (TEE)

1 Einleitung und Motivation Alle Prognosen gehen davon aus, daB der Primarenergietrager Kohle auch in Zukunft einen wesentlichen Beitrag zur Stromerzeugung in Deutschland und weltweit liefern wird. Daher kommt der Weiterentwicklung des Kohlekraftwerks insbesondere in unserem Lande sowie fur den Weltmarkt in Hinblick auf Ressourcenschonung und Reduzierung der Emissionen eine groBe Bedeutung zu. Neben Verbesserungen beim konventionellen Kohledampfkraftwerk werden weitere Kraftwerkskonzepte entwickelt. Stand der Technik ist bereits der erdgasbefeuerte Gas/DampfturbinenprozeB mit heute erreichbaren Wirkungsgraden bis zu 58%. Urn das hohe Wirkungsgradpotential eines Gas/Dampfturbinenprozesses auch fur den Energietrager Kohle zu erschlieBen, werden verschiedene Entwicklungslinien verfolgt. In der Demonstrationsphase (ca. 300 MW) befindet sich ein GuD-ProzeB der aus einer vorgeschalteten Vergasung von Kohle mit anschlieBender nasser Gasreinigung zu einem gasturbinenvertraglichen Brenngas besteht. Eine alternative Mdglichkeit ist die Verbrennung der Kohle unter Druck und der direkte Einsatz der heiBen Rauchgase als Arbeitsmittel fur eine Gasturbine nach entsprechender Hochtemperaturgasreinigung. Die erforderliche Abtrennung flussiger Schlacke und dampfformiger Alkalien oberhalb 1400°C ist noch nicht Stand der Technik und bendtigt weiteren Entwicklungsaufwand. Anstelle der Hochtemperaturgasreinigung ware auch ein Hochtemperatur-Warmetauscher (HT- WT) einsetzbar, der eine Gasreinigung bei etwa 900°C ermdglichen wurde, wobei auch der HT-WT noch nicht zur Verfugung steht. Nach Ldsung der Probleme ergaben sich jedoch Vorteile gegenuber der Vergasungsvariante z. B. durch die geringere Anzahl von Kraftwerkskomponenten (weniger Schnittstellen), die zudem weitgehend aus der konventionellen Kraftwerkstechnik bekannt sind sowie durch die Vermeidung der Abkuhlung der heiBen Brenngase fur die Gasreinigung. Fur die vergleichende Bewertung verschiedener Krafwerkskonzepte sind thermo- dynamische GesamtprozeBanalysen ein sinnvolles Hilfsmittel, da sie neben der Ermittlung des Wikungsgrades auch als Basis zur Kostenabschatzung dienen. Darauf aufbauend kdnnen einerseits die Perspektiven eines Kraftwerks mit Druckkohlenstaub- feuerung (DKSF) fur eine groBtechnische Umsetzung abgeschatzt und daruberhinaus die zielgerichtete Forschung im Grundlagenbereich gewahrleistet werden. In den erforderlichen Berechnungsmodellen der denkbaren Schaltungsvarianten ist der aktuelle Entwicklungsstand der Grundlagenforschung relevanter Teilbereiche zu berucksichtigen. Somit kdnnen die verschiedenen ProzeBvarianten unter Beruck- sichtigung des Wikungsgradpotentials und der Realisierbarkeit bzw. des erforderlichen Entwicklungsaufwandes verglichen und bewertet werden. Daraufhin kann ein Vergleich des Entwicklungspotentials eines DKSF-Kraftwerks mit konkurrierenden Zukunftstechnologien zur Kohleverstromung wie z.B. Kraftwerke mit Advanced Pressurized Fluidized Bed Combustion (APFBC) Oder Integrated

164 CjTA Druckflamm-Seminar Universitat-GH Essen Zeche Zollverein, 17. November 1998 TEE I

Gasification Coal Combustion (IGCC) unter thermodynamischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten erfolgen.

2 Erfahrungen des Fachgebiets TEE im Bereich thermodynamischer Systemanalysen Das Fachgebiet Technik der Energieversorgung und Energieanlagen (TEE) der Uni- versitat GH Essen wendet bereits seit dem Anfang der 80er Jahre, neben experimen- tellen Untersuchungen, die Technik der Computersimulation zur Auslegung, Bewertung und Optimierung energietechnischer Anlagen sowie deren Einsatzplanung an. Das Hauptgebiet der Forschungsarbeiten umfaBt energetische und exergetische Analysen von Kohle- und Gaskraftwerken, Blockheizkraftwerken und Photovoltaik- anlagen. Im Rahmen der Forschungsarbeiten wurden zahlreiche Studien und Projekte im Auftrag verschiedener Institutionen mit unterschiediichen Projektpartnern aus der Industrie durchgefuhrt. Einige Beispiele hierfur sind:

• Kohlekraftwerke der Zukunft [1 ] Ministerium fur Wissenschaft, Mittelstand und Techniogie NRW, 1990 • Ermittlung und Verifizierung der Potentiate und Kosten der Treibhausgasminderung durch Kraft-Warme-Kopplung in der Industrie [2] Enquete-Kommission zum Schutz der Erdatmosphare, 1994 • Combined Cycles - Including Technologies such as IGCC, PFBC, on which there Exist Considerable RD & D Efforts [3] Institute for Prospective Technological Studies, 1995

AuBerdem wurden im Fachgebiet TEE bereits mehrere EG-Projekte, die die thermodynamische Optimierung und Simulation von Kraftwerksprozessen zum Inhalt haben, erfolgreich bearbeitet, z.B.:

Projekte im Ramen der Joule II und III Programme: • Combined Cycle Project [4] • Coal-fired multicycle power generation systems for minimum noxious gas emission, COg-control and C02-disposal [5] • An attractive option for C02-control in IGCC systems: Water gas shift with integrated hydrogen/carbon dioxid separation (WHIYS) process [6] • Enhancement of the efficiency of coal-fired power generation systems: Integrated hot fuel gas cleaning for advanced gasification combined cycle processes [7] • Enhancement of the effeciency of IGCC power plants [8]

165 Druckflamm-Seminar Universitat-GH Essen A A Zeche Zollverein, 17. November 1998 TEE

3 Forschungsschwerpunkte im Hochschul-Verbundprojekt Erganzend zum Druckkohlenstaubfeuerungs-Verbundprojekt wurde 1997 ein Gemeinschaftsprojekt nordrhein-westfalischer Hochschulen begonnen. Dieses Projekt wird gefordert durch das Ministerium fur Wirtschaft und Mittelstand, Technologie und Verkehr des Landes Nordrhein-Westfalen.

Die beteilligten Hochschulforschungseinrichtungen und deren Arbeitsgebiete sind:

RWTH Aachen, Institut fur Warmeubertragung und Klimatechnik (WUK), Prof. Renz • Grundlagen der Schlackefilmbildung bei der Druckkohlenstaubverbrennung

Ruhr-Universitat Bochum, Lehrstuhl fur Energieanlagentechnik (LEAT), Prof. Kremer • Untersuchung zur Minimierung der Stickoxidbildung bei der Kohlenstaubver- brennung unter hohen Temperaturen und Drucken durch Nutzung neuartiger Technologien der Hochtemperaturgasverbrennung

Universitat GH Essen, TEE, Prof. Romey • Analyse von Kraftwerksprozessen mit Druckkohlenfeuerung

Die Projektpartner (WUK, LEAT) sind mit eigenen Vortragen auf der Tagung vertreten. Im folgenden wird nur auf den Beitrag der UGH Essen eingegangen. Im Rahmen des Forschungsprojektes werden folgende Arbeitsschwerpunkte bei TEE behandelt:

• Zusammenstellung und Beschreibung moglicher ProzeBschaltungen • Durchfuhrung von Exergieanalysen ausgewahlter Schaltungen • Ermittlung des Wirkungsgradpotentials der Kraftwerkskonzepte • Abschatzung von Hauptabmessungen • Beurteilung des Entwicklungsbedarfs technisch noch nicht verfugbarer Anlagen- komponenten • Abschatzung der Stromgestehungskosten • Vergleich der zu erwartenden Wirkungsgrade und Stromgestehungskosten mit kon- ventionellen, PFBC- und IGCC-Kraftwerken

4 Stand der Untersuchungen Im Rahmen des Verbundprojektes werden vom Fachgebiet TEE die nachfolgend dargestellten KraftwerksprozeBschaltungen untersucht. Aus der Literatur sind weitere ProzeBvorschlage bekannt, die meist auf ahnlichen Konzepten basieren jedoch eine Zwischen- Oder Nachfeuerung mit Edelbrennstoffen in den ProzeB integrieren. Hier sollen jedoch vorrangig die Grundkonzeptionen analysiert und bezuglich ihres Kohleverstromungs-Wirkungsgrades verglichen werden.

166 Druckflam m-Seminar Universitat-GH Essen Zeche Zollverein, 17. November 1998 TEE

4.1 Kombi-ProzeB mit Druckwirbelschicht-Teilvergasung und -Feuerung

Brenngasreinigung Der Wirkungsgrad eines Kraftwerks Kohle

mit konventioneller Druckwirbelschicht- Kalk feuerung ist durch die Temperatur- begrenzung im Wirbelbett und damit auch am Eintritt der Gasturbine einge- schrankt. Aufgrund dieser Restriktion ist man bestrebt neue Prozesse fur Kraftwerke mit Druckwirbelschichtfeuerung zu entwickeln, urn heute mogliche Gasturbineneintrittstemperaturen urn 1250 °C (ISO) ausnutzen zu konnen und somit deren Wirkungsgrad weiter zu erhohen. Ein Schritt in diese Richtung stellen die Prozesse mit sogenannter fortge- schrittener Druckwirbelschichtfeuerung dar, fur die auch die Bezeichnungen ^Advanced" Oder ^Second Generation" PFBC verwendet warden. In einem Druckwirbelschichtvergaser wird Kohle mit Luft zum Teil vergast. Neben dem Kohlegas fallt dabei Koks an, der in einem nachgeschalteten Druckwirbelschicht- reaktor verbrannt wird. Die Temperaturen im Vergaser und in der Wirbel- schichtfeuerung betragen ca. 850 °C. Durch Zugabe von Kalk in die beiden Reaktoren kann eine ausreichende Einbindung von Schwefel erreicht werden, die eine nachtrag- liche Rauchgasentschwefelungsanlage unnotig macht. Das im Druckwirbelschichtvergaser entstehende Kohlegas wird vor Eintritt in die Gasturbinenanlage mit einem Staubabscheider und einer Gaswasche gereinigt. Zusatzlich zur Staubabscheidung mussen auch die Alkalien aus dem Kohlegas entfemt werden, da die Rauchgase der Druckwirbelschichtfeuerung durch Nachverbrennung des Kohlegases vor dem Eintritt in die Gasturbine auf uber 1200 °C aufgeheizt werden. Das gleiche gilt fur die Rauchgase aus der Wirbelschichtfeuerung. Durch die Verbrennung des Kohlegases werden die Rauchgase auf heute ubliche Gasturbineneintrittstemperaturen aufgeheizt. Mit diesem Verfahren ist es moglich, die Temperatur des Arbeitsmittels der Gasturbine weit uber die maximale Temperatur der Wirbelschichtfeuerung anzuheben. Urn das bei der Nachverbrennung in der Gasturbinenbrennkammer entstehende thermische NOx abzuscheiden, werden die entspannten Abgase vor der Freisetzung mit einem Katalysator entstickt. Die Anlagen der Druckwirbelschicht-Verbrennungstechnik als auch die der -Vergasungstechnik sind bereits in Demonstrationskraftwerken ausgefuhrt und erprobt worden [9].

167 Druckflamm-Seminar Universitat-GH Essen Zeche Zollverein, 17. November 1998 TEE

4.2 Druckkohlenstaubfeuerung mit Hochtemperaturgasreinigung

Hochtemperatur- Bei der Druckkohlenstaubfeuerung mit Hochtemperaturgasreinigung wird die eingesetzte Kohle in einer Schmelzzyklondruckfeurung bei Temperaturen uber 1500°C und bei Drucken zwischen 10 bar und 30 bar verbrannt. Bei dieser Temperaturen liegt die Asche in flussiger Form in der Brennkammer vor. Urn eine ausreichend hohe obere ProzeBtemperatur erzielen zu kdnnen, mussen die Rauchgase mit Temperaturen von ca. 1300°C zur Turbine geleitet werden. Aus den ProzeBtemperaturen ergeben sich hohe Anforderungen an die Kraftwerkskomponenten. Fur den Einsatz im heiBen Rauchgasweg kdnnen nur keramische Materialien eingesetzt werden, da sie sowohl den hohen Temperaturen als auch den Erosions- und Korrosionseinflussen standhalten mussen. Der Vorteil der Druckkohlenstaubfeuerung liegt in der Nutzung der bei der Verbrennung entstehenden Druckabgase mit Temperaturen uber 1300°C. Nach der Reinigung der Rauchgase kdnnen diese mit hohem Wirkungsgrad in modernen Gasturbinen entspannt werden [10, 11]. Bei einer Beaufschlagung der Gasturbine mit den ungereinigten Rauchgasen kame es einerseits zu Erosionserscheinungen und Anbackungen der Asche an den Turbinenschaufeln, andererseits ware durch Kondensation der Alkalien Korrosion auf den Schaufeloberflachen zu erwarten. Zur Realisierung dieser Kraftwerkskonzeption ist eine Abscheidung schmelzflussiger Flugasche und dampfformiger Alkalien aus den Abgasen bei Temperaturen von etwa 1300°C zwingend erforderlich. An der Losung dieser Problematik wird intensiv und interdisziplinar gearbeitet, was auch an der Vielzahl der Beitrage zu diesem Themen- gebiet bei dieser Tagung zu ermessen ist.

Unter der Voraussetzung, daB eine Hochtemperaturgasreinigung realisiert werden kann, lassen erste Berechungen fur den KombiprozeB mit einer Gasturbineneintrittstemperatur von 1300°C einen Brutto-Wirkungsgrad von ca. 55,6 % erwarten. Das detaillierte Simulationsmodel! und die Randbedingungen fur die Berechnungen sind dem Anhang (Poster) zu entnehmen.

168 Druckflamm-Seminar Universitat-GH Essen Zeche Zollverein, 17. November 1998 TEE

4.3 Druckkohlenstaubfeuerung mit HeiBgasreinigung

Um einen KraftwerksprozeB mit Druckkoh ­ Kohle HeiBgasreinigung lenstaubfeuerung und direkter Beaufschla- gung einer Gasturbine mit Verbrennungs- abgasen beim heutigen Stand der Rauchgasreinigungstechnik realisieren zu konnen, muB das Rauchgas auf eine Temperatur von ca. 950°C abgekuhlt werden, um anschlieBend eine HeiBgasreini- gung durchfuhren zu konnen. Die gereinigten Gase konnten dann in einer Gasturbine mit Eintrittstemperaturen wie bei einem konventionellen DruckwirbelschichtprozeB (PFBC) entspannt werden [12]. Die Kohle wird unter Druck in einer Schmelz- zyklondruckfeuerung mit Luft verbrannt. Da- bei wird die Verbrennung mit einem niedri- gen LuftuberschuB betrieben, um hohe Ver- brennungstemperaturen zu erhalten, so daB die in der Kohle enthaltene Asche schmelzflussig vorliegt. Auf diese Weise kann ein groBer Anteil der Asche bereits flussig aus der Brennkammer uber ein Wasserbad abgezogen werden. Um das Arbeitsmittel der Gasturbine auf eine Temperatur von ca. 950°C abzukuhlen muB dem Rauchgas nach dem Austritt aus der Brennkammer Luft vom Verdichter zugefuhrt werden. Zusatzlich zur Entstaubung ist eventuell auch eine Abscheidung der Alkalien notwen- dig, um die Gasturbine vor dem schadigenden EinfluB der korrosiven Substanzen zu schutzen. Gleichzeitig konnte auch eine Entstickung und Entschwefelung der Rauch- gase durchgefuhrt werden, welche allerdings in obiger Darstellung mit konventioneller Technik nach der Gasturbine bei atmospharischem Druck ausgefuhrt wird. Der wesentliche Nachteil bei diesem Konzept ist die Begrenzung des Wirkungsgrades der Gasturbinenanlage aufgrund der niedrigen Gasturbineneintrittstemperatur. Dadurch besitzt das Abgas, bei einem beispielhaften Druckverhaltnis von 8:1, am Austritt der Gasturbine nur eine Temperatur von ca. 500°C. Aus diesem Grund konnen im nachgeschalteten Wasser-Dampf-ProzeB nur relativ niedrige Dampfparameter erreicht werden, die einen entsprechend niedrigen Wirkungsgrad des Dampfkraftprozesses zur Folge haben.

Erste Berechungen lassen fur den KombiprozeB mit Hochtemperaturgasreinigung einen Brutto-Wirkungsgrad von ca. 47,6 % erwarten. Das detaillierte Simulationsmodell und die Randbedingungen fur die Berechnungen sind im Anhang (Poster) beigefugt.

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4.4 Druckkohlenstaubfeuerung mit Hochtemperatur-Warmetauscher

Hochtemperatur Rohgas/Reingas- Eine Moglichkeit das Temperatur- Warmetauscher niveau der Gasreinigung zu senken, ohne jedoch auf die hohe Gasreinigung Gasturbineneintrittstemperaturverzich- ten zu mussen, stellt der Einsatz eines hochtemperaturbestandigen Rohgas- /Reingas- Warmetauschers dar [13]. Auf der einen Seite des Hoch- temperatur-Warmetauschers (HT-WT) wird das Rohgas durch das im Gegenstrom gefuhrte Reingas von beispielsweise 1400°C auf ca. 1000°C abgekuhlt. Nach dem Verlassen des HT-WT wird der Rohgasstrom durch Zumischen von Luff auf eine Temperatur von ca. 850°C bis 950°C abgekuhlt, so daB eine HeiBgas- reinigung durchgefuhrt werden kann. Diese muB die gleiche Reingasqualitat erzielen wie die Hochtemperaturgasreinigung. Der so entstandene Reingasstrom wird durch den HT-WT gefuhrt und durch das heiBe Rohgas auf die Turbineneintritts- temperatur aufgeheizt. Bei der Entwicklung des HT-WT muB berucksichtigt werden, daB die Asche im Rohgas durch die Abkuhlung vom flussigen uber den klebrigen in den festen Zustand ubergeht. Ein Anbacken der Asche an den Warmetauscherflachen muB verhindert werden. Wegen des hohen Temperaturniveaus kommen fur den Warmetauscher nur hochtem- peraturbestandige Werkstoffe (Keramiken) in Frage. Nach [13] wird fur die Realisierung eines solchen HT-WT eine dreistufige Abkuhlung des heiBen Rohgases bis auf die HeiBgasreinigungstemperatur vorgeschlagen. Nach der ersten Stufe, dem eigentlichen HT-WT, verlaBt der Rohgasstrom den Warmetau­ scher mit einer Austrittstemperatur, bei der die Asche noch im klebrigen bis zahflussi- gen Zustand vorliegt. Zur Uberfuhrung der Asche in den festen Zustand, wird das Gas anschlieBend einer Mischkammer zugeleitet, bei der durch geeignete Strdmungsfuh- rung ein Auftreffen der Asche auf die Kammerwand verhindert wird. In der dritten Stufe erfolgt dann die Abkuhlung auf die Temperatur der Rauchgasreinigung. Der HT-WT ist bei dem in [13] vorgeschlagenen Konzept als bauliche Einheit mit der Brennkammer ausgefuhrt.

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4.5 Kombi-ProzeB mit indirekt kohlebefeuerter Gasturbine

Gasreinigung Bei der letzten Variante handelt es sich um Kohle einen Kohle-Kombi-ProzeB mit indirekt kohle­ Hochtemperatur- befeuerter Gasturbine und atmospharischer Keramik- Staubfeuerung mit flussigem Ascheabzug Warmetauscher (konvehtionelle Schmelzkammerfeuerung), der in erster Linie in der amerikanischen For- schung untersucht und dort als Externally Coal-Fired Combined Cycle (EFCC) bezeichnet wird [14,15]. Die Rauchgaswarme wird in einem HT-WT auf komprimierte Verdichterluft ubertragen, so da(3, im Gegensatz zu den anderen Konzepten, die Gasturbine mit einem

sauberen Arbeitsmittel beaufschlagt wird. DeNOx Innerhalb des HT-WT steht dem Rauchgas mit einem Druck von etwa 1 bar der Druck der Kompressorluft von z.B. 16 bis 17 bar gegen- uber. Daher ist bei der Entwicklung des Warmetauschers zusatzlich zur thermischen Belastung eine hohe mechanische Belastung zu berucksichtigen. Die verdichtete Luft muB in dem Warmetauscher auf Temperaturen uber 1300°C erwarmt werden. Dies bedeutet, daB die Temperatur des Rauchgases auf der anderen Seite uber dem Ascheschmelzpunkt liegt. Ahnlich wie bei der Druckkohlenstaub- feuerung mit Hochtemperaturgasreinigung mussen die restlichen flussigen Aschebestandteile in einem vorgeschalteten Abscheider vor dem Eintritt in den HT-WT abgetrennt werden. Der Unterschied der beiden Konzepte besteht darin, daB beim EFCC-ProzeB die Flussigascheabscheidung bei Atmospharendruck durchzufuhren ist und sich auf den Schutz des HT-WT beschrankt (niedrigere Reinheitsanforderungen). Ebenso wie die Gasreinigung bei hohen Temperaturen bedarf es beim EFCC der Entwicklung mehrerer Anlagenkomponenten, die technisch noch nicht realisiert sind.

5 Zusammenfassung und Ausblick Das Fachgebiet TEE hat sich zur Aufgabe gestellt, die oben dargestellten Kraftwerks- prozesse mit DKSF untereinander und mit anderen Kohleverstromungstechniken unter thermodynamischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu vergleichen. Ziel ist eine genaue Kenntnis der wirkungsgradbeeinflussenden Faktoren des Gesamtprozesses und darauf basierend eine Abschatzung der Perspektiven der DKSF-Technologie. Nach einer Zusammenstellung mdglicher Prozesse aus der Literatur und Auswahl der welter zu untersuchenden ProzeBvarianten werden durch TEE die Gesamtanlagen- Wirkungsgrade bzw. Wikungsgradpotentiale bestimmt und verglichen. Im Laufe des Projektes werden in den Vergleich neben den Wirkungsgraden auch die Komplexitat, der erforderliche Entwicklungaufwand fur noch nicht zur Verfugung stehende Anlagenkomponenten und grab abgeschatzte Anlagenkosten einbezogen.

171 Druckflamm-Seminar Universitat-GH Essen A A Zeche Zollverein, 17. November 1998 tee

AbschlieBend stellt sich die Aufgabe einer Gegenuberstellung des DKSF-Kraftwerks mit konkurrierenden Kohleverstromungstechniken.

Nach den oben dargestellten Voruntersuchungen, bei denen eine Vielzahl von Prozessen unter vergleichbaren Randbedingungen und Annahmen analysiert werden, muB eine detailliertere Analyse des aussichtsreichsten DKSF-Kraftwerks erfolgen. Neben einer Verfeinerung der Simulationsmodelle und einer Optimierung des Prozesses ist ein kritischer Vergleich der Wirtschaftlichkeit dieser Variante gegenuber anderen Technologien zur Kohleverstromung erforderlich.

5.1 Technische Aspekte fur weitere Forschungsarbeiten • Optimierung des Prozesses unter Berucksichtigung alter Nebenanlagen • Thermodynamischer Vergleich der wassergekuhlten Brennkammer mit einer luft- bzw. rauchgasgekuhlten Brennkammer • Anpassung der Simulationsmodelle - der Hochtemperaturgasreinigung bzw. des HT-WT, - der Anlagen zur Entschwefelung und Entstickung, - des Abhitzeprozesses an aktuelle Forschungsergebnisse der Projektpartner

5.2 Wirtschaftliche Aspekte fur weitere Forschungsarbeiten • Ermittlung der maximal ansetzbaren Kosten technisch noch nicht verfugbarer Anlagenkomponenten aus dem Wirkungsgradvorteil gegenuber einem konventionellen Dampfkraftwerk • EinfluB der Vollastbenutzungsstundenzahl (Verfugbarkeit) auf die Stromge- stehungskosten zur Abschatzung des Investitionsrisikos • Vergleich der Wirtschaftlichkeit mit kunftigen Hochtemperatur- Dampfkraftprozessen • Abschatzung der spezifischen Leistungskosten (DM/kW) • Wirtschaftlichkeitszenarien unter Berucksichtigung - verschiedener Brennstoff-Preisentwicklungen - verschiedener Komponenten-Preisentwicklungen

172 Druckflamm-Seminar Universitat-GH Essen Zeche Zollverein, 17. November 1998 TEE

6 Literaturverzeichnis [1] Pruschek, Rudolf; Renz, Ulrich; Weber, Ekkehard: "Kohlekraftwerk der Zukunft”, Studie im Auftrag des Ministers fur Wirtschaft, Mittelstand und Technologie des Landes Nordrhein-Westfalen, Marz 1990. [2] Pruschek, Rudolf; Oeljeklaus, Gerd, Lokurlu, Ahmet, Vogelsang, Holger: "Ermittlung und Verifizierung der Potentiate und Kosten der Treibhausgasminde- rung durch Kraft-Warme-Kopplung in der Industrie”, Studie im Auftrag der Enquete-Kommission “Schutz der Erdatmosphare", Juli 1994. [3] Pruschek, Rudolf; Oeljeklaus, Gerd; Brand, Volker; Gdttlicher, Gerold; Kloster, Reinhard: "Combined Cycles - Including Technologies such as IGCC, PFBC, on which there Exist Considerable RD & D Efforts ”, Studie im Auftrag des "Institute for Prospective Technological Studies”, Juli 1995. [4] Romey, I.: Project Coordinator of: Combined Cycle Project (Joule II: Clean Coal Technology Programme, Volume III) [5] Coal-fired multicycle power generation systems for minimum noxious gas emission, CC2-control and C02-disposal (JCU2-CT92-0185) [6] An attractive option for CC2-control in IGCC systems: Water gas shift with inte­ grated hydrogen/carbon dioxid separation (WHIYS) process (JCU2-CT92-0158) [7] Enhancement of the efficiency of coal-fired power generation systems: Integrated hot fuel gas cleaning for advanced gasification combined cycle processes (JOU2-CT93-0431 ) [8] Enhancement of the effeciency of IGCC power plants (JOU2-CT94-0454) [9] Bergmann, H., Chalupnik, R., Jacobs, J.: Entwicklungsstand von Kombi-Kraft- werken auf Kohlebasis, VGB Kraftwerkstechnik 77 (1997), Heft 3, S. 166-173. [10] Romey, I.; Oeljeklaus, G.; Gdttlicher, G.: Advanced European Power Generation Technologies with Improved Efficiencies. Symposium on Clean Coal Technologies, Xiamen, P. R. China, 1997 [11] Hannes, K., Neumann, F., Thielen, W., Pracht, M.: Kohlenstaub-Druckverbren- nung: Entwicklungstand und Anforderungen des Prozesses an die Verbren- nungsfuhrung, VGB Kraftwerkstechnik 77 (1997), Heft 5, S. 393-400. [12] Leithner, R.; Wang, J.: Konzepte und Wirkungsgrade kohlegefeuerter Kombi- anlagen, BWK Bd. 47 (1995), Nr. 1/2, Januar/Februar 1995, S. 11-17. [13] Neumann, F.: Untersuchung zur Auslegung eines Hochtemperaturwarmeaustau- schers fur die Integration in einen kombinierten Gas- und DampfturbinenprozeB mit druckaufgeladener Kohlenstaubfeuerung, VDI Fortschrittberichte, Nr. 343, Reihe 6, VDI-Verlag, Dusseldorf, 1996. [14] Korbitsyn, M., Hirs, G.: The Use of Supplementary Firing in an Externally-Fired Combined Cycle Power Plant, International Conference on Power Engineering ICOPE '97, Tokyo, Japan, July 13-17,1997. [15] Edelmann, H., Stuhlmuller, F.: EFCC - Ein zukunftiges Konzept fur Kohle-Kombi- Kraftwerke?, VGB Kraftwerkstechnik 77 (1997), Heft 7, S. 537-543.

173 6.

Themenbereich:

GasmeRtechnik unter hohen Driicken und Temperaturen

6.1

Dr. Werner Christmann, PreussenElektra Engineering GmbH, Geisenkirchen

Methoden und Ergebnisse der Gasmefttechnik an der Druckkohlenstaubfeuerung in Dorsten

174 II 1| 'll |: .1 *DEO 12896026* Druckflamm-Seminar Zeche Zollverein 17.11.1998 DE99G9501 6. Themenbereich: GasmeBtechnik unter hohen Driicken und Temperaturen

„Methoden und Ergebnisse der GasmeBtechnik an der Druckkohlenstaubfeuerung in Dorsten“ Dr.-Ing. W.Christmann

Einleitung Der Vortrag zu dem Thema „Methoden und Ergebnisse der GasmeBtechnik an der Druckkohlen ­ staubfeuerung in Dorsten “ ist in folgende drei Abschnitte unterteilt, Abb. 1: - Aufgabenstellung - Stand/Erfahrungen - Weitere Aufgabenschwerpunkte und Entwicklungsaufgaben.

Aufgabenstellung Da an der Versuchsanlage unterschiedliche Methoden der Rauchgasreinigimg erprobt und entwickelt werden, besteht die Aufgabenstellung darin, Partikel- und Alkalikonzentrationen im Rauchgas DKSF-Anlage zu messen und soxnit die Wirksamkeit der Reinigungsverfahren zu ermitteln. Diese Aufgabe wird durch die hier vorherrschenden MeBbedingimgen auBerst erschwert, Abb. 2. Der Druck an der MeBstelle liegt zwischen 10 und 15 bar, die Gastemperatur betragt max. 1300 °C - 1500 °C. Bei dem geplanten GuD-Prozess benbtigt man daruber hinaus on-line MeBtechniken zum kontinuierlichen Schutz der Gasturbine. Es ist daher auch notwendig, hierfiir geeignete on-line MeBsysteme zu erproben oder zu entwickeln. Allerdings mussen die Konzentrationen nicht exakt bekannt sein. Die Erfassung von kritischen Grenzwerten erscheint ausreichend. In welchem Teil der Anlage finden die Messungen statt? In Abbildung 3 ist ein vereinfachtes FlieBbild der DKSF-V ersuchsanlage dargestellt. Die wichtigsten verfahrenstechnischen Komponenten der Versuchsanlage sind die Brennkammer, der Flussigascheabscheider, Alkaliab- scheider und die optische MeBstrecke. Die Partikel- und Alkalimessungen erfolgen in dem Rauch- gaskanal hinter dem Flussigascheabscheider. Es werden also Reingasgehalte gemessen. Fur optische Messungen steht ein spezieller Druckbehalter zur Verfiigung, der hier als optische MeBstrecke bezeichnet wird. Dieser bietet die Moglichkeit, aus unterschiedlichen Winkeln den Rauchgaskanal einzusehen.

175 Stand/Erfah rungen

AlkalimeBtechnik Im Bereich der AlkalimeBtechnik (Abb. 4) wurde eine nal3-chemisch arbeitende MeBapparatur weiterentwickelt, die urspriinglich von der Fa. Ruhrkohle Oel und Gas GmbH (Roeg) konzipiert wurde. Der Vorteil dieser MeBtechnik ist, daB weitere gasformige Komponenten, z.B. solche die aus den Werkstoffen stamrpen, verfolgt werden kbnnen. Zur Erfassimg der Natriumkonzentration wurde ein optisches MeBgerat aufgebaut, das mit Htilfe der Atomabsorptionsmethode arbeitet. Zur Zeit wird in Zusammenarbeit mit dem Institut fur Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen der Universitat Stuttgart (TVD) eine MeBkampagne zur Bestimmung der Natrium- und Kaliumkonzentration im Rauchgas vorbereitet. Hierbei kommt die Excimerlaser induzierte Fragmentierungsfluoreszens-Spektroskopie (ELIF) zum Einsatz. Aufgrund der Komplexitat des MeBaufbaus werden diese Untersuchungen allerdings zunachst an der drucklos arbeitenden Anlage durchgefiiihrt.

PartikelmeBtechnik Zur Messung der Partikelbeladung im Rauchgas der DKSF-Anlage wurde eine gravimetrisch arbeitende Technik entwickelt, Abb. 5. Eine solche extraktive Methode hat den Vorteil, daB Staubsammelproben zur Verfugung stehen, die weiter analysiert werden kbnnen, (siehe Vortrag 3.5 „Mineralogische Untersuchungen von Schlacken und Stauben aus der Druckkohlen- staubfeuerung “). Weiterhin werden die Ergebnisse zur Kalibrierung optischer MeBverfahren benotigt, die meist relative MeBwerte liefem. Parallel wurden in Kooperation mit Fachfirmen und Hochschulen optische MeBtechniken erprobt. Beispiele hierfiir sind Messungen der GroBen- und Geschwindigkeitsverteilung von flussigen Aschepartikeln mit Etilfe der Phasen-Doppler-Anemome- trie. Zur Zeit wird ein Transmissions- und ein StreulichtmeBgerat erprobt. Hierbei gibt es Teil- erfolge, jedoch noch kein verlaBliches optisches MeBverfahren. Ein groBer Nachteil der Druckanlage ist die optische Zuganglichkeit des Rauchgaskanals. Optische MeBmethoden, insbesondere solche zur Messung der PartikelgroBe, benbtigen geringe Abstande zum Mefiobjekt, die aufgrund der hitzebestandigen Ausmauerung nicht oder nur schwer realisiert werden kbnnen. Neben optischen MeBsystemen wird daher auch eine elektrische Methoden untersucht, bei der man xiber die Messung der Partikelladung die Partikel selbst nachweisen kann. An dieser Stelle sollen die wesentlichen, an der DKSF-Anlage gebrauchlichen MeBmethoden, vorgestellt werden. Dies sind die naB-chemische Alkali- und die gravimetrische PartikelmeBtechnik. Die erprobten optischen Verfahren werden auf dem Poster „Optische Messungen im Rauchgas" gezeigt, (siehe Posterteil).

NaB-chemische AlkalimeBtechnik In Abbildung 6 ist ein Langsschnitt des Rauchgaskanals und der MeBtechnik zur Bestimmung der Alkalien im Rauchgas der DKSF-Anlage dargestellt. Das

176 MeBsystem besteht im wesentlichen ans einer Sonde in Form eines Keramikrdhrchens und einem doppelwandigen mit Wasser gektihlten Druckbehalter. Bei der Probenahme wird das Rauchgas fiber das Keramikrohr in den Ktihlraum geleitet. Hier kondensieren die Alkaliverbindungen. Das Gas/ Kondensatgemisch tritt nach unten in eine Waschlosung ein. Mit Hilfe der Waschflaschen werden die fltissigen von den gasformigen Phasen getrennt und anschlieBend mengenmaBig erfaBt. Nachjeder Messung wird der Ktihlraum ausgewaschen, um auch Alkalien zu erfassen, die an der Innenwand des Kuhlraums anhaften. Hierzu dient eine Sptilvorrichtung in dem Kuhlraum. Die in der Waschvorlage gesammelten Kondensate werden im Labor mittels analytischen Verfahren (z.B. AAS) untersucht, so daB fiber die abgesaugte Rauchgasmenge die absolute Konzentration bestimmt werden kann. Damit das Rauchgas moglichst heiB, mit Temperaturen fiber 1200 °C, in den Ktihlraum gelangt, ist die Sonde in Isoherwatte eingepackt. Bei ersten Messungen zeigte sich, daB der Sptilring und die Oberflache des Ktihlbehalters durch die aggressiven Rauchgase stark angegriffen werden. Um ausreichende Standzeiten zu erzielen, wurde daher der Sptilring aus Titan gefertigt. Aus den gleichen Grfinden ist der Ktihlraum mit einem PTFE-S chutzmantel ausgekleidet. Auch die Abtrennung der festen oder fltissigen Aschepartikeln aus dem MeBgasstrom ist nicht unproblematisch. Die zu diesem Zweck in der Spitze des Keramikrohres eingesetzte Wolle aus Aluminiumoxyd setzt sich wahrend der Messungen zu, so daB die Gesamtzahl der Messungen pro Betrieb begrenzt ist. Erhebliche MeBfehler konnen auch auftreten, wenn der MeBgasstrom nicht fiber die Sonde, sondem durch die Ausmauerung angesaugt wird. In diesem Fall erfaBt man relativ kaltes Rauchgas, in dem die interessierenden gasfijrmigen Verbindungen bereits auskondensiert sind.

Gravimetrische PartikelmeBtechnik Zur Messung der Partikelbeladung an der DKSF-Anlage wird eine gravimetrisch arbeitende MeBeinrichtung verwendet, Abb. 7. Die Messung wird prinzipiell mit einer mehrwandigen MeBlanze aus Metall durchgefuhrt. Zur Messung der Partikelbeladung wird diese seitiich in den Rauchgasstrom eingefuhrt. Aufgrund der hohen Temperatur im Rauchgaskanal ist eine indirekte Ktihlung der Lanzenspitze mit Wasser erforderhch. Im krneren der Lanze befindet sich eine Sonde aus Quarzglas. Quarzglas wurde ausgewahlt, da dieses bis zu einer Temperatur von 1500 °C temperaturbestandig ist und einen sehr kleinen Warmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Wahrend der Messung wird der MeBgasstrom geschwindigkeitsgleich fiber die Quarzglassonde abgezogen und gelangt in den Staubsammel- behalter. Hier befindet sich ein Filtermedium, das die Partikel aufiiimmt. AnschlieBend wird das Rauchgas analysiert und nach einer Mengenmessung ewieder dem Rauchgasstrom zugefuhrt.

177 Bei den ersten Messungen zeigte sich, daB sich das Rauchgas auf dem Weg zum Staubsammelbehalter auf eine Temperatur von 200 - 300 °C abkiiMt. Im Grunde will man jedoch die Partikel- und Kondensatprodukte erfassen, wie sie wahrend der Abkuhlung in der Gasturbine in einem Temperaturbereich von 1300 bis 700 °C auftreten. Angestrebt wird daher eine Temperatur im Staubsammelbehalter die der Gasaustrittstemperatur der Gasturbine entspricht. Daher ist um die Quarzglassonde und um den Staubsammelbehalter eine regelbare elektrische Heizung angeordnet. Hiermit kann die angestrebte Temperatur problemlos eingehalten werden. Bezuglich der Mel3genauigkeit der gravimetrischen PartikelmeBeinrichtung wurden in dem Stromungslabor der PreuBenElektra Engineering Vergleichsmessungen an einem Kaltmodell durchgefuhrt. Dabei hat man einem Luftstrom definierte Mengen an Filterstaub aus elektrischen Kraftwerksfiltem zugesetzt und die Staubgehalte mit der vorgestellten MeBtechnik und mit einer entsprechend den VDI- Richtlinien 2066 genormten MeBsonde durchgefuhrt. Die Ergebnisse dieser Messungen, die bei drei verschiedenen Staubkonzentrationen erzielt wurden, sind in Abbildung 8 dargestellt. Die MeBergebnisse entsprechend der VDI-Methode sind als Vierecke eingezeichnet; die Ergebnisse, die mit der entwickelten Hochtemperatursonde erzielt wurden, sind als Rauten dargestellt. Bei einer Staubmenge im Bereich von 800 mg/m 3 i.N. betragt die Differenz zwischen beiden MeBmethoden 42 mg/m 3 i. N. Bei kleineren Staubkonzentrationen um 100 /m3 i.N. betragt die Abweichung 3 mg/m 3 i.N. Diese Genauigkeit ist bei der Messung der Partikelkonzentration zur Zeit noch ausreichend.

Weitere Aufgabenschwerpunkte und Entwicklungsaufgaben

Die weiteren Aufgabenschwerpunkte und Entwicklungsaufgaben sind in Abbildung 9 zusammen- gestellt. Die gravimetrische PartikelmeBtechnik der DKSF-Anlage muB weiterentwickelt werden, um auch Staubgehalte kleiner 50 mg/m 3 i.N. messen zu kbnnen. Im Bereich der optischen PartikelmeBtechnik liegen erste Erfolge vor. Schwierigkeiten bestehen tier in der optischen Zuganglichkeit an der DKSF-Anlage und in der Reproduzierbarkeit der bisherigen MeBergebnisse. Die eingesetzten Streuhcht- und Extinktionsverfahren mussen noch weiter untersucht werden. Im Bereich der AlkalimeBtechnik ist insgesamt der Forschungsbedarf noch groBer. Hier mussen teilweise ganz neue Moglichkeiten entwickelt werden. Erste Ansatze in dieser Richtung sind vorhanden. Als Beispiel tierfur ist die direkte Ankopplung eines Massenspektrometers an die Versuchsanlage oder der Einsatz der ELIF-MeBtechnik unter den Bedingungen einer Druckkohlenstaubfeuerung zu nennen. Bei der Losung dieser Aufgabe sind alle anwesenden Hochschulen und Institute herzlich eingeladen.

178 PreussenElektra Druckflamm-Seminar 17.11.1998 in Essen

Methoden und Ergebnisse der Gasmefttechnik an der I Druckkohlenstaubfeuerung in Dorsten

Gliederung:

1. Aufgabenstellung

2. Stand/Erfahrungen

3. Weitere Aufgabenschwerpunkte und Entwicklungsaufgaben

______

Abbildung 1

PreussenElektra Aufgabenstellung

Versuchsanlage Dorsten

• Bestimmung der Partikelbeladung

e Ermittlung der Alkalikonzentration (Na, Ka)

• MeGbedingungen: 10-15 bar, 1200 -1500 °C Gasturbinenprozess

• Erprobung von on-line Me&techniken zur kontinuierlichen Messung - Mefctechnik zum Schutz einer Gasturbine - Erfassung von schnellen Anderungen - Signalisierung kritischer Werte ausreichend

Abbildung 2 179 PreussenElektra Schema der 1 MW Versuchsanlage

Kohlebunker Kamin

SchleusbehSIter

Partikel- Alkali- messung messung FOrderluft Zellradschleuse

Verbrennungs- Brenn- luft FIQssigasche- Alkali- Optische Materialtest- Rauchgas- kammer abscheider abscheider MeBstrecke strecke kQhlung

BO

Abbildung 3

PreussenElektra AlkalimeBtechnik fur DKSF

• Weiterentwicklung einer extraktiven Probenahme zur Bestimmung gasformiger Bestandteile fur die DKSF-Anlage

- Alkalien - Sonstige Komponenten (aus Brennstoffen Oder Werkstoffen)

• Erprobung von optischen on-line Mefctechniken

- Aufbau eines optischen Mefcgerates zur Erfassung der Natrium- konzentration - Messungen mit Laserfluoreszenzverfahren (Prof. Hein, Stuttgart)

Abbildung 4 180 PreussenElektra PartikelmeRtechnik fur DKSF

• Entwicklung einer gravimetrischen Partikelmessung

- Analysen der Staubsammelproben moglich - Kalibrierung von optischen MeRtechniken

• Erprobung von on-line MeRtechniken

- PDA-Messungen (Universitat Erlangen) - Einsatz von TransmissionsmeRgeraten (Sick) - Streulichtmessungen (DMT) - Bestimmung uber Messung der elektrischen Ladung von Partikeln

Abbildung 5 PreussenElektra

AlkalimeBtechnik

HeiBgas- filtration

Keramiksonde Isolierwatte

Spulring

PTFE-Auskleidung Kuhlwassereintritt

Kuhlwasseraustritt

Kondensatableitung

Abbildung 6

182 PreussenElektra Prinzipieller Aufbau der Partikelmessung

MeB- und Regeleinrichrung

Staubauffang- DHH behalter Heizsystem

Heizung ■

Abbildung 7 183 PreussenElektra Sondenvergleich (Mittelwerte)

1000

♦ nach VDI Vergleich des Hoch- m HTM mit Sonde nach VDI 800 *42 temperaturpartikel-

meBsystems mit einer

£ 600 entsprechend der D) E VDI-Richtlinien * +11 re .c 0) 400 -- durchgefiihrten at si I MeBsonde 200

* -Z

Abbildung 8

PreussenElektra ZukunftigeAufgabenschwerpunkte und Entwicklungsaufgaben

• Anpassung der gravimetrischen Partikelmefceinrichtung an Staubgehalte < 50 mg/m 3 i.N.

• Weiterentwicklung optischer und elektrischer Mefctechniken zur kontinuierlichen Messung der Partikelbeladung

• Modifizierung der extraktiven AlkalimeBapparatur - Verbesserung der HeiRgasfiltration - Beheizung der Entnahmesonde

e Entwicklung einer on-line Alkalime&technik - Bestimmung durch Ankopplung eines Massenspektrometers - Weiterentwicklung vorhandener MeStechniken (ELIF)

Abbildung 9 184 7.

Postersammlung zum Thema Druckkohlenstaubfeuerung

7.1

Dr. Klaus Hannes, STEAG AG, Essen

Posterubersicht

185 JfflfS DE99G9500 Posterubersicht Dr. Klaus Hannes, STEAG AG, Essen

Die Beteiligung am ersten Druckflamm-Seminar war mit ca. 100 Teilnehmern und 22 Vortragen erfreulich hoch und spiegelte das Interesse an dieser Ent- wicklung wieder.

Urn alien Interessierten die Moglichkeit zu geben, ihre Vorhaben zu prasentie- ren, war neben den Vortragen eine Posterausstellung eingerichtet worden, die groRe Beachtung fand. Zu den Inhalten der Poster finden Sie bier eine kurze Einfuhrung und, wenn zugesandt, die verkleinerten, oft tiber mehrere Blatter verteilten Kopien der Poster.

BTU, Brandenburgische Technische UniversitatCottbus

Druckaufgeladene Zykloidfeuerung

Es ist geplant, mit der adiabaten druckbeaufschlagten Zykloidbrennkammer und einer im Leistungsbereich bis 5 MWe arbeitenden Gasturbine mit Abhitze- kessel, ein einfaches System fur die dezentrale gekoppelte Warme- und Strom- versorgung zu schaffen. Die Realisierung dieser druckbeaufschlagten Variante der Zykloidfeuerung er- moglicht die umweltschonende Nutzung von Braunkohlen in Druckkohlen- staubfeuerungen mit einem hohen Wirkungsgradpotential und niedrigen Schadstoffemissionen. Als Ergebnis entsteht ein Anlagenkonzept fur Kraftwerkssysteme mit druckbe- aufschlagter Zykloidfeuerung fur den Energietrager Braunkohle.

Zielsetzungen ■ Anlagentechnische Entwicklung und verfahrenstechnische Erprobung einer druckbeaufschlagten Zyloidfeuerungsanlage ■ Optimierung des druckbeaufschlagten Brennkammersystems unter Verwen- dung einheimischer Lausitzer Braunkohlen ■ Entwicklung und Optimierung von Brennstoffeintragssystemen unter Druck ■ Reduktion von Schadstoffemissionen durch PrimarmaRnahmen (feuerungs- technische Optimierung und Einsatz von Additiven) ■ Anlagenerweiterungen durch eine innovative HeiRgasreinigung und ■ durch die Nutzung zur Stromerzeugung

BTU, Lehrstuhl Kraftwerkstechnik Prof. Dr.-lng. Krautz

Entwicklung von Druckwirbelschichtprozessen

Zielsetzungen

■ Ziel des mit der 200-kW-Technikumsanlage zu realisierenden Forschungs- vorhabens ist es, ein neues Kombi-Kraftwerkskonzept, welches durch eine hohe Gasturbineneintrittstemperatur und demzufolge durch hohe Wirkungs-

186 grade sowie durch eine moglichst einfache und kompakte Anlagentechnik charakterisiert ist, zu entwickeln. ■ Mit den Untersuchungsergebnissen sollen alle fur ein "scale up ” auf eine AnlagengrdBe im halbindustriellen MaBstab von 1 bis 15 MW^ Brennstoff- warmeleistung erforderlichen Auslegungsdaten geliefert werden. Ziel des Vorhabens ist es, in diesem Leistungsbereich eine Technikumsanlage, als eine wesentliche Grundvoraussetzung fur die Errichtung eines kommerziell zu betreibenden Kraftwerkes auf Basis der Wirbelschichttechnologie, zu entwickeln.

Der erfolgreiche AbschluB des Forschungsprojektes erdffnet, das Interesse der Industrie (VEAG, LAUBAG, RWE, LCS und Siemens) vorausgesetzt, gute Moglichkeiten, die Anlagenentwicklung erfolgversprechend weiterzufuhren.

Mit der Durchfuhrung eines dreijahrigen Untersuchungsprogrammes an der Anlage sollen die wesentlichen verfahrenstechnischen Zielstellungen fur ein neues Braunkohlen-Kraftwerkskonzept geklart werden.

Didier

Der Veitsch-Radex-Didier-Konzern, einer der groBten Feuerfesthersteller der Welt, hat sich neben den traditionellen Gebieten, mit seinem hohem Grad an Forschungs - und Innovationskraft, zur Aufgabe gemacht, sich intensivst mit der Hochtemperatur-Verbrennung und Reingaserzeugung auseinanderzusetzen.

Den werkstofftechnischen und konstruktiven Anforderungen der DKSF wird seit Jahren durch kooperative Zusammenarbeit groBe Aufmerksamkeit entgegen- gebracht. Auch bei den zukunftigen Herausforderungen sollen weiterhin die gesamten Moglichkeiten des Konzernes zur Zielerreichung eingebracht wer­ den.

DKSF

Ubersicht tiber das Entwicklungsprogramm in Dorsten mit Darstellung der not- wendigen Forschungsaufgaben

187 Verbundprojekt Druckkohlenstaubfeuerung gefordert mit Mitteln des BMBF

Ziel: Entwicklung eines direktgefeuerten GuD-Prozesses fur Steinkohle mit Hochtemperatur-Hochdruck-Abscheidung fur Flussigasche und Alkalien

Begleitende Forschung Begleitende Forschung

Kohledosierung Partikelmessung Kohlenstaub gemahlen Flussigaschepartikei 50-3 mg/m 1 Fordermenge 50-100 kg/h PartikelgroBe < 3pm Genauigkeit± 1% Betriebstemperatur 1.400 °C Anlagendruck 20 bar Betriebsdruck 20 bar On-line Messungen zur Turbinen- Keramikentwicklung uberwachung Schlackeresistente Materialien fur Temperaturen bis 1.600 °C Alkalimessung Temperatur- und Druckwechsel- Alkalien 10-0,01 mg/m 3 bestandigkeit Betriebstemperatur 1.400 *C minimale Schadstoffemission Betriebsdruck 20 bar On-line Messungen zurTurbinen- Feinstpartikelvermeidung uberwachung Vermeidung von Partikeln < 3pm Flammenfuhrung Feinstpartikelabscheidung Abbrandverhalten f (T, p) Abscheidung von Aschetropfchen < 3pm Brenneranordnung Beingasanforderung < 3 mg/m 1 Brennraumgestaltung Rohgasgehalt 50-100 mg/m 1 Additive Schadstoffabscheidung Schadstoffvermeidung Abscheidung von Alkalien Vermeidung von Dampfen, die zwischen Beingasanforderung < 0,01 mg/m 1 1,300 °C und 600 °C kondensieren Rohgasgehalt 10-1 mg/m 1 Flammenfuhrung NOx-Minderung In-situ Alkaliminderung Rauchgasanalyse Abbrandverhalten f (T, p) Brenneranordnung NOx,SOx.O„COx Brennraumgestaltung Flussigaschebelastung 8g/m* Additive Gastemperatur 1.500 °C Gasdruck 20 bar Partner und Aufgabenverteilung

Saarberg Siemens Steinmuller PreussenBektra Kraftwerke AG Planung Planung Staub- und Alkali- GroCanlage GroCanlage messungen Versuchs- Versuchs- Planung programme programme GroCanlage Versuchs- Versuchs- Versuchs- durehfuhrung durchfuhrung durchfuhrung Brennstoff- Keramik eigenschaften

DKSF GbR Versuchsplanung Betrieb der Versuchsanlagen in Dorsten Versuchsauswertung, Planung GroBanlage DMT- Gesellschaft fur Forschung und Prufung mbH

DMT befa&t sich seit uber 20 Jahren mit der Druckverbrennung. In dieser Zeit wurden in mehreren Forschungsprojekten Apparate und Verbrennungsanlagen zur Untersuchung der Druckverbrennung entwickelt, angewendet und vermarktet.

Auf dem Poster sind die Untersuchungsmoglichkeiten der DMT in einer Hochtemperatur-Hochdruck-Thermowaage und einem Hochtemperatur- Hochdruck-Fallrohr beschrieben. Thermowaage und Fallrohr sind fur Temperaturen bis 1600 oC und Driicke von 20 bar (Fallrohr) bzw. 100 bar (Thermowaage) ausgelegt.

EBI, Engler Bunte Institut Universitat Karlsruhe (TH),

DRUCKFLAMM - Grundlagenuntersuchungenzur Trofenabscheidung im Schuttschichfilter

Hintergrund der Untersuchungen: Abscheidung der flussigen Aschetrdpfchen vor Eintritt des Rauchgases in die Gasturbine mit Hilfe einer Schuttung aus Keramikkugeln

Geplante Untersuchungen

• Ziel: Erstellung eines Modells zur Auslegung einer solchen Schiittung, • bisherige Modelle unterscheiden sich voneinander und erlauben deshalb • keine eindeutigen Aussagen Arbeitshypothese: Vorhandene Modelle unterscheiden sich wegen des un- terschiedlichen Randeinflusses (Verhaltnis Kugeldurchmes- ser/Schuttungsdurchmesser und somit die Randgangigkeit der Stromung wurden nicht beachtet) • Experimentelle Untersuchungen: Variation verschiedener Parameter - Verb. Kugeldurchmesser/Schuttungsdurchmesser - Schuttungshohe - Anstromgeschwindigkeit - Viskositat der Tropfen - Fliissigkeitsinventar • CFD-Simulation: Vergleich mit exp. Untersuchungen • Grundlagen zur Partikelabscheidung: • Transportmechanismen, in DKSF hauptsachlich Tragheitskrafte • Vorstellung der bisherigen Abscheidemodelle (Goren, Suekane, Tardos) • Kurzbeschreibung der Modelianlage Vorstellung der ersten Versuchsergeb- nisse: Diagramme (Fraktionsabscheidegrade uber PartikelgroRe)

189 UNIVERSITAT KARLSRUHE Engler-Bunte-Institut, Bereich Gas, Erdol und Kohle /####%. Prof. Dr.-lng. R. Reimert, Dipl.-lng. M. Schier ■ Druckflamm - Grundlagenuntersuchungen zur pi (: I Tropfenabscheidung in Schuttschichten - gefordert vom BMBF -

Hintergrund der Arbeit Geplante Untersuchungen Einsatz von Kohle im GuD-ProzeB: Ziel: Erstellung eines Modells Druckkohlenstaubfeuerung Arbeitshypothese: Vorhandene Modelle unterscheiden Konzept der Schlackeabscheidung: sich wegen des unterschiedlichen Randeinflusses Schiittung aus Keramikkugeln Experimentelle Untersuchungen: Variation folgender Parameter Zur Auslegung eines Schuttschichtfilters notwendig: a) Verhaltnis Kugel-/Schuttungsdurchmesser Abscheidemodell, b) - Schuttungshdhe erstellt mit Hilfe von theoretischen und experimentellen - Anstromgeschwindigkeit Grundlagenuntersuchungen. - Viskositat der Tropfen Bisherige Modelle erlauben keine eindeutigen c) EinfluB des Flussigkeitsinventars Aussagen CFD-Simulation: Vergleich mit den experimentellen Oaten

Grundlagen zur Partikeiabscheidung Abscheidemechanismen Partikeiabscheidung infolge von Tragheitskraften Zwei Teilschritte (Einzelkornbetrachtung): EinfluBgroBen zur Berechnung des Auftreffgrads infolge - Transport der Teilchen an die Kugeloberflache von Tragheit werden als dimensionslose Parameter dar- - Haftung an der Oberflache gestellt: Einzelkornabscheidegrad

=> in der DKSF sind Tragheitskrafte vorherrschend

Abscheidemodelle fur den Tragheitsbereich (Einzelkornbetrachtung) Modell nach D’OTTAVIO und GOREN Modell nach SUEKANE Empirisch, aus gemessenen Trenngraden T(x) Anpassung des D’OTTAVIO/GOREN-Modells an eigene zuruckgerechnet, Gultigkeitsbereich: 13 < Re < 1.620 Messungen, Gultigkeitsbereich: Re <10.000 Fur den Einzelkornabscheidegrad wurde empirisch m2,3 tl - 6ff folgende Korrelation ermittelt: m, Suekane 40,m2,3 Uf3,55 Yeff Yeff T’Goren 1?67 + w3,55 Model! nach TARDOS Gultigkeitsbereich: Re < 200 Weff = ¥ • A (a, Re) mit a = 1 -e Sti3>3 Tardos 4j 3 . q"4 + St'3’9

St'=St.F(Re)=2W.(1 + 1^75 (1^))

190 Druckflamm - Grundlagenuntersuchungen zur Tropfenabscheidung in Schuttschichten

Modellapparatur

-Zerstaubungsluft Aerosol: -Silikonol Luft/Silikonol -Luft

Zwei-Stoff-Duse Mischkammer Einlaufstrecke Glaskugeln

2 PartikelgroBen- und -anzahimeBgerate SchQtlung

■ Luft

Silikonolr

Versuchsergebnisse

Variation der Leerrohrgeschwindigkeit u0 Variation des Kugeldurchmessers d^

8 60 S 60

1 <0

o 20

’artikeldurchmesser dp in pm •artikeldufchmesser dp in |im

Variation des Schiittungsdurchmessersdschott Vergleich mit verschiedenen Modellen

—dsehtic" SOtttT) Messung —:£r- dsd

■8 60 * 60 berechnet rutii Suekane

S 40

o 20 o 20

10° Partikeldurchmesser dp in pm Partikeldurchmesser dp in pm

- Der Anstieg der Abscheidung fur Partikeln kleiner 1 [im 1st entweder auf elektrostatische Effekte Oder auf MeBfehler zuruckzu- fuhren. Fur weitere Untersuchungen wird in der Mischkammer eine Kr85-Quelle zur Entladung derTropfchen installiert. Bne Verbesserungder Abscheidung durch Diffusion 1st erst ab ca. 0,5 gm zu erwarten. - Eine Randgangigkeit der Stromung konnte bisher nicht beobachtet werden. Es sind jedoch noch weitere Versuche erforderlich urn gesicherte Aussagen treffen zu konnen.

191 Forschungszentrum Julich A-A Investigations on alkali release and sorption in coal conversion A. Witthohn • L Oeltjen • .K. Hilpert • L. Singheiser Forschungszentrum Julich • Institute for Materials and Processes in Energy Systems (IWV2) • 52425 Julich • Germany

AIMS SAMPLES (4) Alkali activities of a DKSF plant slag (hard coal (8) Temperature and composition dependence of the Saar) enriched to different Na2Q contents K20 activity of SKV-AfeOa mixtures ■ Understanding, predicting and Influencing the alkali ■ Ashes of lignites and hard coals (different origin) pro ­ duced at different temperatures metal release from mineral matter (ash) In coal 1-2 4.1*5.8 8.1 at 2 mot% K;0 NazOa :Uvftv ■ ■■ KzOtc vfty ■ Plant deposits g/(l00g)Na 2O ■ Determination of appropriate sorption materials for i •

■ Na/K-enriched hard coal slags L alkali metals ■ Synthetic slags __ - ■ Evaluation of thermodynamic data base systems , 7 . - , Li Composition of coal ashes [g/(100g)] - 1 W SiO, AijOj Fe»Oi CeO MqO N«yO KiO SOy CO, Q QU S v UormRhllltiod(4SrC)- 46.7 3.1 7.0 15.5 4.3 0.5 0.4 15.0 3.0 0.14 KEMS measurement dvd stall Herd coal Saaf(CTS-C)" 33.3 16.3 11.4 5.5 26 1.1 1.7 02 125 007 Dqjldsta l_3 n»1400 | 1300 | Liquid standard slat* BACKGROUND 1400 1300 100-c i; ■ Development and Improvement of combined cycle 6.5 1100 1200 1300 00 0.1 02 Oj 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1/Tcmperature [KfVKI SIO* moto fraction M plants for efficient coal conversion RESULTS 1/Temperature 110 /KJ ■ Hot corrosion of gas turbine components and fireside corrosion of boiler tubes caused bv alkali sulfates (1) Alkali release from laboratory ashes of a boiler (5) Element concentration In a lignite and a hard coal (9) Temperature and composition dependence of the lignite and a hard coal ash as function of the ashing temperature Na20 activity of SI02-AI203 mixtures Efficiencies ol coaMIrod power plants Combined cycle with 60r Pressurized pulverized ■■ LI; nl(o( tholr and) lard oal ( iaar) j’flsL- combustion (PPG) •ft fito* 6- .uruca 61 ts E'° V see \ " KjO o 1.5 V 7 V ■*^1 e \i5 L T i i C Ns gnlto' 400 600 600 1000 1200 1400 molntand) ------L-mx ISO 041 kittle (W# aleam temperature) [*C] 400 600 600 1000J 1200 1400 1600 400 600 600 1000 1200 1400 1600 ^ 200 400 600 600 1000 1200 ££$1 200 400 600 600 1000 1200 0.3 0.5 0.7 0.3 0.5 0.7 Temperature {'Cl Temperature VC) Ashing temperature (*C) Ashing temperature (*C) SIO* molo fraction H SIO* molo fraction [-] METHODS Supported by BMBF under project number ET 6819 D ■ Knudsen effusion mass spectrometiy (KEMS) (2) Alkali release from laboratory ashes of 4 boiler (6) Comparison of calculated und published experi ­ lignites from the Rheinland open-cast mining region mental Na20 activities for the system Na20-SI02-AI202 CONCLUSIONS Kute- 10“ NaCI, No 0.525 0075 ■ Alkali release as NaCI and KCl at 500..900°C differen­ - / 2RS » Exporlmonls: lloh, Yukokawa 8 tiates lignite from hard coal ashes T oQUAS 0.55.0.1 0.56.008 Knudsen • klentlllcatlon ol gaseous species ■ Alkali release from coal ashes can be divided Into z >A . n IMCC 0.58.0.12 06008 a ■ 5 • determination of partial pressures (10r*..1OPa) / Q 3 ranges: (A) 500..900°C: NaCI, KCl, partly from • sample temperatures to 2000°C gior* vj ! s S 5 0.0.0 0 fl / salts; (B)700..1100°C: Na, NaCI, Na2S04, K, KCl; • determination olthemrodynamtcdala y a v.w.v.vz 0>64 0 0 ll Z> i (C) >900°C: Na, K, from silicates . k ll o n accompanied by ashing experiments (02 plasma, i y 1 0.67.0 03 o,66 0.0 ■ The greatest fraction of the alkali metals In the mineral Nad I l|KO a Sold stvida/d elate muffle furnace), chemical analyses, in-sltu hlgh-tem- £ SiOrAliOi-OJmoloiO.OSmola T-130OK matter of the Saar hard coal Is bound by silicates and 4— U— Sf perature XRD, differential thermal analysis (DTA) 600 600 1000 1200 1400 1600 400 600 600 1000 1200 1400 1600 0.3 0.35 not released during combustion In the DKSF plant Temperature rc| Temperature |*C) Na*0 mole fraction («) Thermodynamic modelling ■ Ashing temperatures between 150 and 650/1175°C have practically no effect on the alkali content of Model systems • oomponenta: N«iO, KA>, 6i0r, Ato, FezOi CeO (3) Potassium release from hard coal ashed at different (7) Comparison of calculated and experimental Na20 llgnlte/hard coal ashes (Rheinland/Saar) temperatures and corresponding DKSF plant stags* activities for different synthetic stags ■ Good correspondence between calculated and experi­ mental activities for binary and ternary systems; corres ­ 150°C ash r Furnac6(-1500°C) ' Kfts pondence for quaternary systems and real coal slags Is Aemlnlmlzer i Thermodynamic data 575’Cash Slag enaction (=1-1OTC) bad for high alkali and alkaline earth contents •td&mSepe • FACT M • Hastfe&Boonil | 117 >°Ce sh r „ i / ■ Studies on various synthetic SlOrtlch slags and the h y / hard coal slag from the DKSF plant confirm the strong Solution modota I- j / / sorption capacity of silicates for alkali metals T OOOUsjOO 73Sri)4-0.ieA!jOj(mo!e Iraction) • modfiad quaalchemkal model (OUAS) 1 / / • Ueof mUng olecmfkx components (MCC) 5io' / . 005Na,C-0 72SiOi 0.13AljOi O.IOFeO ■ Reliable quantitative predictions for quaternary and / 7 004H*jO'OCOSrOj0.12AljO>-024CoO a fSSsr*" more complex systems as coal slags require more ex­ 1 J !E perimental data and Improved solution models 400 600 600 1000 1200 1400 1600 400 600 600 1000 1200 1400 1600 Temperature |*C) Temperature |*C| 1/Temporatute |10 /K| Kombikraftwerk mit Kohlenstaubdruckfeuerung und einem integrierten keramischen Warmeaustauscher Posterbeitrag zum Statusseminar „Dmckkohlenstaubgefeuerter GasturbinenprozeB", Essen, 17.11.1998

Dipl.-Ing. C. Ehlers, Prof. Dr. techn. R Leithner, TU Braunschweig, Institut fur Warme- und Brennstofftechnik

Der PPCCCC (Pressurized Pulverized Coal Combustion Combined Cycle) als offener GasturbinenprozeB mit Kohlenstaubdruckfeuerung verspricht den hochsten elektrischen Wirkungsgrad unter den kohlegefeuerten Kraftwerken. Er unterliegt jedoch dem Problem der notwendigen HeiBgasentstaubung vor der Gasturbine. Eine am IWBT der TU Braunschweig entwickelte Kraftwerksschaltung sieht die trockene Abreinigung der Asche im staubformigen Zustand nach dem Stand der Technik vor. Dies wird durch den Einsatz eines zwischen Brennkammer und Gasreinigung geschalteten Gas-Gas-Hochtemperatur-Warmeaustauschers ermoglicht, durch den die Temperatur des Rohgases fur die Gasreinigung ausreichend verringert und andererseits das Reingas auf Gasturbineneintrittstemperatur aufgeheizt wird. Aufgrund des hohen Temperatumiveaus kann der Warmeaustauscher nur aus einem keramischen Werkstoff bestehen. Diese Schaltung mit einem Hochtemperatur-Warmeaustauscher aus siliziuminfiltriertem SiC wird am Institut fur Warme- und Brennstofftechnik (IWBT) der TU Braunschweig im Rahmen eines BMBF- geforderten Forschungsvorhabens (AZ 0326835A/B) zusammen mit dem Institut fur Keramische Komponenten im Maschinenbau (IKKM) der RWTH Aachen in einer atmospharischen Hochtemperatur-Versuchsanlage untersucht. An dem Projekt beteiligte Industriepartner sind die Firmen Norton-Cesiwid, ALSTOM, PreussenElektra und 3M.

Der Posterbeitrag prasentiert die Konzeption der Anlagenschaltung und den Aufbau einer GroBanlage. Weiterhin werden die Konstruktion des Versuchswarmeaustauschers und die Entwicklungsziele des Projektes erlautert.

Konzeption der Anlagenschaltung:

• Hochste Wirkungsgrade fur Kohlekraftwerke erreichbar durch Kombianlagen mit Kohlenstaubdruckfeuerung • Umgehung der HeiBgasreinigung von schmelzfliissiger oder zaher Asche durch Abkuhlung des Rohgases; Abscheidung von Staub und eingebundenen Alkalien bei fester Aschekonsistenz • Einsatz keramischer Werkstoffe im Warmeaustauscher zur Erreichung hochster Turbineneintrittstemperaturen durch Wiederaufwarmung

Entwicklungsziele des Forschungsprojektes: • Konstruktion, Ban und Erprobung eines atmospharischen keramischen Hochtemperatur- Warmeaustauschers • Bearbeitung der Problemgebiete Warmedehnimg, Korrosion, Verschlackung • Optimierung der Entstaubung mit keramischen Filterkerzen

193 Ofmkatfltrut^en

Seltenansichtelner Anlage derLelstung 380MW«i .Teaperalumeitotiriit

Warmeaustauscher, Filferkerzen

B Ktr«* (SiSti E3 faierrtitt E2 HeOtltnperahffkilt Abhitze- Kuhlturm kessel B Ktzebestart4gef SNM

Versuchsanlage: Segmentautbau des Warmeaustauschers

Brennkammer Gasfrurbine

GrundriS drier Anlage der Lelstung 380MW„

Bramslon*: StcinkoMc u, 28.0 MIA n Pa 672,0 MW CXVAT 262,0 MW Par 235,31 MW liar 35.02% Pur 143.66 MW Tbir 34,07% Pod) 378.97 MW ltaj> 5639% TlOuOivUrt 50,89%

pjbarl | h IkJ/kg) 1 CCT! m (kg/s)

Schaltung eines Kombikraftwerkes mit keramischem Warmeaustauscher

194 Freisetzung gasformiger Alkalien unter den Bedingungen der Druckkohlenstaubfeuerung

T.Reichelt, H. Spliethoff, K.R.G. Hein Institutfur Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen, Universitat Stuttgart

Zielsetzung Im Rahmen des DrackFLAMM-Vorhabens warden am IVD umfangreiche Untersuchungen zum Freisetzungs- und Einbindungsverhalten gasformiger Alkaliverbindungen durchgefuhrt. Die Messungen warden an einem druckaufgeladenen und einem atmospharischen Flugstromreaktor unter Anwendung der ELIF-MeBtechnik (Excimerlaser induzierte Fragmentierungsfluoreszenz-Spektroskopie) durchgefuhrt. Das Ziel besteht dabei in der detaillierten Beschreibung des Alkalienfreisezungs- und Einbindungsprozesses. Durch die quantitative Bestimmung des Einflusses von Verbrennungstemperatur, Verweilzeit und Druck sowie der Zusammensetzung der mineralischen Phase auf die Alkaliemissionen sollen Potentiale zur Minderung der Emission gasformiger Alkalien unter Druckkohlenstaub- feuerungsbedingungen erschlossen werden.

Versuchsanlage und MeJStechnik Die Messungen wurden an einem Traggas (N,) Dosierung druckaufgeladenen und einem atmospharischen Flugstromreaktor des FVD durchgefuhrt, (Abb.l). Durch ein elektrisch beheiztes Reaktionsrohr konnen Wandtemperaturen von bis zu 1600°C realisiert werden. Temperatur, Druck, Verweilzeit und die Gaszusammensetzung der Verbrennungsgasatmosphare sind unabhangig voneinander einstellbar. In drei verschiedenen Abstanden vom Brennermund befinden sich optische Zugange zum Einsatz beruhrungsloser MeBtechniken. Bei der hier eingesetzen MeBtechnik handelt es sich um eine am Physikalisch-Chemischen Institut der Universitat Heidelberg entwickelte Probermahmesonde . Gasan alyse: O, CO„ CO, NOx LaserfluoreszenzmeBtechnik (ELIF) zur on-line und in-situ Messung gasformiger Abb. 1 Druckflugstromreaktor des IVD Alkaliverbindungen im Rauchgas.

Ergebnisse Im Rahmen des DruckFLAMM-Vorhabens wurden bisher 2 Stein- und eine Braunkohle systematisch untersucht. Bei alien Experimenten konnte eine starke Verweilzeitabhangigkeit der Alkaliemissionen festgestellt werden. Der untersuchte Verweilzeitbereich reicht - abhangig vom Gesamtdruck, von ca. 4 - 15 Sekunden. Mit zunehmender Verweilzeit zeigt sich eine starke Abnahme der Alkalikonzentration. Dieses Verhalten ist auf eine heterogene Einbindungsreaktion der gasformigen Alkaliverbindungen in die mineralische Matrix der Aschepartikel zuruckzufuhren. Abb. 2 zeigt dies am Beispiel der Kohlen Spitzbergen und Ensdorf bei 1300°C.

195 Bisdorf 6000

g; 5000 -^Na; Kohle 4000 -~K; Kohle = 300 .» Na: Kohle + Ton .» K; Kohle + Ton » 200 c 2000

1000

to 0 5 10 15 20 Verweilzeit [s] Vetweilzeit [sj

Abb. 2 Alkalikonzentration uber der Verweilzeit, Reaktionsrortemperatur 1300°C Des weiteren wurden mit Ton dotierte Kohlen eingesetzt. Bei identischen Verbrennungsbedingungen zeigt sich eine deutliche Abnahme der Alkaliemissionen im Verhaltnis zu den Rohemissionen der undotierten Kohle. Uber einen Temperaturbereich von 1100 - 1400°C konnte eine gate Einbindungswirkung nachgewiesen warden, die vor allem im unteren Temperaturbereich von 1100°C besonders ausgepragt ist. Offensichtlich wirken die Aluminium- und Siliziumverbindungen des des Tons als „Getter“ fur die gasformigen Alkaliverbindungen der Verbrennungsatmosphare. In technischen Verbrennungsanlagen treten die ProzessgroBen Temperatur und Verweilzeit als gekoppelte EinfluBparameter der Freisetzung gasformiger Alkali® auf und lass® sich meist nicht diskriminieren. Eine Erhohung der Verbrennungstemperatur vergroBert das Gasvolumen und veningert damit Verweilzeit. Im Rahmen der durchgefuhrten Messung® konnte der EinfluB von Verweilzeit und Temperatur separiert und einzeln quantiflziert werden. In Abb. 3 ist der TemperatureinfluB auf die Natriumemission fur die beiden Kohlen Spitzbergen und Ensdorf fur vier verschiedene Verweilzeiten aufgetrag®. Wahemd fur die Kohle Spitzbergen kein eindeutiger TemperatureinfluB erkennbar ist, konnte Sir Ensdorf eine deutliche Erhohung der Natriumemission uber der Verbrennungstemperatur gefund® werden. Des weiteren ist fur Ensdorf eine Zunahme der Temperaturabhangigkeit bei kurzeren Verweilzeiten zu b®bachten. Dieses kann auf die Temperatur- und Konzentrationsabhangigkeit der heterogenen Einbindungsreaktion der gasformigen Aklaliveibindungen in die mineralische Matrix zuruckgefuhrt werden. Im Falle der Kohle Spitzbergen konnte eine solche Abhangigkeit nicht eindeutig festgestellt werden. Die Alkalikonzentrationen im Rauchgas liegen fur Spitzbergen uber eine GroBenordnung unter der von Ensdorf. Es kann angenommen werden, daB in diesem Fall die Einbindungsreaktion -

Spitzbergen Ensdorf 400 5000 S’ 6"S a 8 S >, 4000 — 300 12 S •S 200 & 2000

100

1100 1200 1300 1100 1200 1300 1400 Reaktionsrohrtemperatur [°CJ Reaktionsrohrtemperatur [* C|

Abb. 3 Temperaturabhangigkeit der Natriumfreisetzung

196 mehr als bei Ensdorf - durch Diffusionswiederstande bestimmt wird. Eine abschlieBende Erklarung kann jedoch noch nicht gegeben warden. Weiterhin warden umfangreiche Untersuchungen zum EinfluB der Ausgangskonzentration and Einbindungsform der Alkalien in der Kohlematrix auf die Emission wahrend des Verbrennungs vorganges durchgefuhrt. Dafiir wurde die undotierte Steinkohle Ensdorf als Referenzkohle benutzt. Durch Zudotierung definierter Mengen an Alkalitracermaterial konnte der EinfluB verschiedener Einbindungsarten als auch der EinfluB von variierenden Schwefel- bzw. Abb.4 Alkaliemissionen dotierter Brennstoffe bei 1400°C Chlorgehalten untersucht warden. Abb. 4 und 3,6 bar zeigt die Gegenuberstellung der Alkaliemissionen von undotierter Ensdorf-Kohle mit jeweils 0,0017 MolNabzw-K/kg bei 1400°C und 3,6 bar. Die Dotierung von Ensdorf mit NaCl und Natriumacetat zeigt sich in einer deutlichen Erhohung der Natriumemissionen, im Fall von NaCl auch in einer Erhohung der Konzentration gasformigen Kaliums. Bei der Dotierung von Ensdorf mit K2S04 konnte eine leichte Erhohung der Kaliumkonzentration im Abgas festgestellt warden. Die ebenfalls festgestellte, leichte Erhohung der Natriumkonzentration ist im Bereich der MeBgenauigkeit und deshalb nicht interpretierbar. Zusammenfassend kann festgestellt warden, daB vor allem das Vorliegen der Alkalien in chloridischer und organischer Form zu einer Erhohung der Alkalifluchtigkeit fuhrt. Die in Form von Sulfaten vorliegenden Alkalien werden jedoch nur in geringem MaBe in die Gasphase freigesetzt.

Ausblick Fur die Ubertragung der bisherigen MeBergebnisse und die Formulierung allgemeingultiger Charakterisierungsmethoden zur Alkalienfreisetzung sind weitere Messungen an unterschiedlichen Brennstoffen notig. Ein groBes Potential hat dabei die gezielte Dotierung von Kohlen zur systematischen Untersuchung des Einflusses aller in Kohlen vorkommenden Mineralien auf die Einbindung bzw. Freisetung gasformiger Alkaliverbindungen. Weitere wichtige Informationen konnen aus der Verteilung der Alkaliverbindungen in der Gasphase (z.B. Chloride, Hydoxide, ... ) gezogen werden, da nicht alle Verbindungen gleichermafien schadlich fur die Entspannung des Rauchgases in einer nachgeschalteten Gasturbine sind. Eine Weiterentwicklung der ELIF-MeBtechnik zur Diskriminierung von gasformigen Alkaliverbindungen konnte dazu einen wichtigen Beitrag leisten.

197 Vergleich von Messung und Simulation der Kohiestaub- umsetzung im Flachflammenbrenner

Dipl.-lng. Georg Hackert, Prof. Dr.-Ing. Hans Kremer, Dipl.-lng. Stefan Murza, Dr.-lng Siegmar Wirtz; Lehrstuhl fur Energieanlagentechnik (LEAT), Ruhr-Universitat Bochum

Der Lehrstuhl fur Energieanlagentechnik beschaftigt sich als Mitglied der DRUCK- FLAMM Arbeitsgruppe unter anderem mit der mathematischen Modellierung der druckbehafteten Kohlenstaubverbrennung. Um die Vorgange in einer groBtechnischen Anlage simulieren zu konnen, mussen zunachst die Umsetzungsmechanismen in Ver- brennungsprozessen im LabormaBstab verstanden und simuliert werden. Das am LEAT entwickelte Simulationsprogramm LORA 1st dazu um ein mathemati- sches zwei Phasen-Modell das es ermoglicht, die Kohleumsetzung inneralb einer Gas- Feststoff-Kopplung zu simulieren, erweitert worden um damit die feste Phase mit in die Simulation zu integrieren. Fur die Validierung derartiger Simulationsprogramme ist ein Abgleich mit praktischen Versuchsergebnissen unbedingt notwendig. Am LEAT steht dazu u. a. ein Flachflam­ menbrenner Versuchsstand zu Verfugung, an dem mit optischen MeBsystemen Gro- Ben, Formen, Geschwindigkeiten und Oberflachentemperaturen brennender Kohlepar- tikel bestimmt werden konnen [2.4]. Das vorgestellt Poster stellte die Verflechtung von Messung und Simulation am Beispiel des Flachflammenbrenners vor. Wichtig bei der Ubertragung von MeBergebnissen ist dabei die Einhaltung der Umgebungsbedingun- gen bei Rechnung und Versuch. So wurde der am LEAT betriebene Flachflammen­ brenner zur Untersuchung der Kohleumsetzung unter Kohlefeuer-ahnlichen Bedingun- gen mit dem Simulationsprogramm LORA simuliert. Das Poster stellt die experimen- tellen und numerischen Ergebnisse gegenuber.

198 Abgasabsaugung Partikelfitter

TOSCA

Kohledosierung Brenner. •' __ ', • Flachllammenbrenner mit.Vormischkammer. • Brennerplatto a us Sintcrmetall CrNi : • Brenniaum aus Quaizglas zur Strdmungsfuhrung • Kohledosierung fiber ZentrifugakJosierung . • Gasdosie rung fiber MassendurchfluBmesser. • Brennerleistung: 3,5kW .. .. • Gesammtvolumenstrcm max:7000 l^/h

Zentrifugaldosierung:. • - Ausgelegttfir kleine Volumenstrfime , • Wirbeierzeugung dutch tangentiale Gaseinstrdmung • .Strfiniungsfuhrung dutch Strfimungskegei.-..

Abbildung 1: Flachflammenbrenner mit Kohledosierung zur Untersuchung der Kohlenstau- bumsetzung mit optischen MeBsystemen

Kohlepartikel im FFB aufgenommen miVrOSCA - TOSCA: Temperature Measurement With Electro Optical High speed CAmeras j - Abgebildet werden pm-groBe Partikel, mit einer GeSchwindigkeit von ca.:.2 m/s - - Mit HHfe der MeBte'chriik-kdnnen GfpBen, Temperatureh,Geschwindigkeiten uhd YerbrennurigszustSnde der Partikerbesti{nmt;Wefden_ V; . - Dargesteilt sind die 4 unterscheidbaren Phasen derVerbrennung ■ ,;/:r -

Partikel

I t

Partikel Partikel 8^ Phase 2: Phase 3: Phase 4: Pyrolysegaszundung, Pyrolyseende = Partikelabbrand Fahnenbildung FahnenabriB

Bildbreite = 3,35 mm

Abbildung 2: CCD-Kameraaufnahmen von brennenden Kohlepartikeln; dargesteilt sind 4 unterschiedliche Phasen der Kohleumsetzung im Flachflammenbrenner

199 Kohlepartikel im Flachflammenbrennen © Foto der-brenrienden Kohlepartikel im Brennraum des FFB © Partikelbahnen und -temperatureh fur.die verwendete Ensdorfkohle (Fraktion 90-1 25pm) ® BerechnungsgitterdesBrennraums @ ' GeschwindigkeitsprofflederGasstromung -

0.31 „illiitlBiiltlii„

PartDeetomperatur[Kl ..iMailllt., „iillillBitllli„ 1700 02 1600 ..iiltilGtilllii,, 1500 tiillllBilllii, MOO 1 1300 ..Hiiiiaiiii,, u 1200 1100 1000 ..miiieiiiiiit,, 900 ,,1111,10111111,.illIRlDlllli, 0.1 700 .iiiimnti, 600 .ungonuti, 500 „iin <00 300 II!

0 -em

Abbildung 3: Gegenuberstellung der Kohlepartikel im Flachflammenbrenner (Foto), der Parti­ kelbahnen, des Rechengitters und der Gasgeschwindigkeitsverteilung

200 Schwellverhaltenvon Ensdorfkohle wahrerid derVerbrennung ReaktonFFB; Kohle: Ensdorf.90- 125 pm; X=1,15;Tu^ebung »1300°C

Simulation

Simulation

Verweilzeit [s]

Abbildung 5: Vergleich von Messung und Rechnung fur die Bestimmung des Schwellverhal- tens der Kohlepartikel

, ^ Pyrolyseverlauf ... , ReaktonFFB; Kohle::Ensdorf 90 -125 pm; X =1,15;T,j^ggbung

100%

Simulation

—: Rechnung Messung. # Messung

Verw eilzeit [ms]

Abbildung 6: Vergleich von Messung und Rechnung fur den Pyrolyseverlauf in Abhangigkeit von der Verweilzeit.

201 Universitat Gesamthochschule Essen Fachbereich Maschlnenwesen Fachgebiet Technik derEnergieversorgung und Energieanlagen Prof. Dr.-ing. lngo Rpmey Dipl.-ing. Michael Schuknecht, Dipl.-ing. Helmut Rode

Analyse von Kraftwerksprozessen mil Druckkohlenfeuerung

Hochschui-Verbundprojekt (1997-1999):

• RWTH Aachen, LehrstuhlfOr WarmeObertragung undKiimatechnik, Prof. Dr.-ing. U. Renz

Grundlagen der Schiackefilmbildung bei der Druckkohlenstaubverbrennung

* Ruhr-Universitat Bochum, Lehrstuhl fOrEnergieanlagentechnik, Prof.Dr.-Ing.H. Kremer

Untersuchung zur Minimierung der Stickoxidbildung bei der Kohlenstaubverbrennung unter hohenTemperaturen und Drucken durch Nutzung neuartigerTechnoiogien der Hochtemperaturgasverbrenhung . ' .

» Universitat GH Essen, Technik der Energieversorgungund Energieanlagen, Prof. Dr.-ing. f. Ramey

Analyse von Kraftwerksprozessen mit Druckkohlenfeuerung Mnsterium EtrSdiute, WeiterbHdung, Wissenschaft utd Forsdiung Dieses Projektwird gefordert durch: tiaslandes Kordmeb-V/estblen

Untersuchungsschwerpunkte des Fachgebiets TEE der Universitat GH Essen: : j Aktuelles Arbeitsprogramm: ;

! . . ! I • Zusammensteliung und Beschreibung mqglicherKraftwerksprozeBschaltungen mit Druckkohlenfeuerungen :

• Durchfuhrung von Exergieanalysen ausgewahlter KraftwerksprbzeBschaitungen - Aufzeigen von Exergieverlusten in Hauptkomponenten

• Festlegung der Hauptabmessungen ausgewahlter Varianten ■ - Grobabmessungen des Feuerraums und des Abhitzekessels. > ; - Ourchmesser von Gasleitungen (Berechnung relevahter Gasvolumehstromej ■ '

• Beurteilung des Entwicklungsbedarfs - Anforderungen fur Kraftwerkskomporienten . - EinlluB des Druckverlustes verschiedener Komponenten aufden Gesamtwirkungsgrad . ;

• Ermittlung von lnvestitionen, Brennstoffkosten.uod Kosten fur Hilfsstoffe :

• Abschatzung der Stromgestehungskostenausgewahlter Varianten. • Gegenuberstellung der zu erwartenden Stromgestehungskosten. zukonventionellen, PFBC- und lGCC-Kraftwerken

Weiterer Forschungsbedarf:

Technische Aspekte j ♦ Analyse von Kraftwerksprozessen mit hochsten WirkungsgradpotehtialendnterBerucksichtigung aller Nebenanlagen 1 * | ♦ Thenmodynamischer Vergleich derwasseigekOhlten Brennkammerniiteinerluft-bzw.rauchgasgekuhlten Brehnkammer ; ] • Anpassung der Simulationsmodelle _ • 1 -der Hochtemperaturgasreinigung bzw. derHochtemperatur-Warmetauscher ] j -derAnlagenzurEntschwefelungundEntstfckung ,l: ■' j j -des Abhitzeprozesses . - j j an aktuelle FprschungsergebnissederProjektpartner \ | • Teillastuntersuchungen . : ~ !

• • Hnbindung von C02-Abtrennungsverfahren I ' . .... I ; Wirtschaftliche Aspekte j : • Ermittlung der maximal ansetzbaren Kosten technisch nochnicht verfugbarer Anlagenkomponenten aus demWirkungsgradvorteil gegenuber | ! einem konventionellen Dampfkraftweik \ i • EinfluB der Vollastbenutzungsstundenzahl (Verlugbarkeitjauf die Stromgestehungskosten zur Abschatzung des investitionsrisikos j i • Vergleich der Wirtschaftiicbkeit mit kunftigen Hochtemperatur-Dampfkraftprozessen- ]

! • Abschatzung derspezifischen Leistungskosten (DMZkW) > i • Wirtschaftlichkeitsszenarien unter Berucksichtigung verschiedener Brennstoff-iindKomponenten-Preisentwicfdungen » ; i • Beurteilung der Wirtschaftlichkert bei Prozessen mit C02-Abtrennung i

oro Dipl.-lng. Michael Schuknecht, Dipl.Jng. Helmut Rode

Analyse von Kraftwerksprozessen mit Druckkohlenfeuerung

Kohto Kohlo

KombiprozeB mit ; KombiprozeB mit HeiBgasreinigung Hochsttemperaturgasreinigung -Rauchgasreinigung beiT<1000°C -Rauchgasreinigung bei T~1300°C : -GT-Eintrittstemperatur T<1000°C -GT-Eintrittstemperatur T>1200°C

Hocfttemperatur Rohgas/Reingas- warmetauscher HochterTperatur* Konie Kcramk- VVSrrootauscher

i.

KombiprozeB mit KombiprozeB mit indirekt kohlebefeuerter Hochtemperaturwarmetauscher Gasturbine I;' -Atmospharische Kohienstaubfeuerung -Rauchgasreinigung bei T<1000°C V; -Verdichtete Luffcals GT-Arbeitsmedium I -GT-Eintrittstemperatur T>1200°C 1 i -Hochtemperaturwarmetauscher mit hohem Ap - -Abhangig von Leistung des Warmetauschers f : -GT-Eintrittstemperatur T>1200°C Universitat Gesamthochschuie Essen pi Fachbereich Maschinenwesen Fachgebiet Technik derEnergieversoigung und Eneigieanlagen u Prof. Drying. Ingp Romey Dipl.-Ing. Michael Schuknecht, DipWng. Helmut Rode

Analyse von Kraftwerksprozessen mit Druckkohlenfeuerung

Hinweise zurverwendeten Software: Hinweise zurBerechnung:

- GesamtprozeBsimulation mit GateCycle v5:2.0.r -Verbrennung unterDruck analog atmospharischer (enthalt Gasturbinen-Datenbank) Feuemng berechnet

- Schnittstelle zu MS-Excel -Druckveriuste sind nicht berucksichtigt

- Erganzende Module in MS-Excel programmiert -Aufwand und Verluste der Kohleaufbereitung, der Entstickung und Entschwefeiung sind nicht berucksichtigt - Teilmodelle mit AspenPlus vio.ti -Wirkungsgradangaben ohne Eigenbedarf (brutto)

EnergiefluBbild zu Modeil 1:

-Verluste der Gasreinigung werden nicht berucksichtigt -AHK-Austrittstemperatur ca. 140°C fur nachfolgende REA; dadurch erhohter Energieinhalt des Abgases (12%)

W3rmeveftuste0,l % SchlackeO.O % J Gasreinigung RaucftgaswSm* in [MW] Warmevertusts 0,0 % Schfecke 0,0 % Rauchgasabkuhlkurve zu Modeil 2:

Genera to rverlusts 0,7 % warmeveriuste 0,1 %

togas 12,0%

Generatorveriuste 0 3 % Kor.denssaQr3V% 100 150 200 Rsucbsaswarmetn [MW]

FOrdle Berechnung derdargestollten Prozesse wurden foigende Eingangsdaten bzw. Annahmenzugrundegelegt ,

Umgebung: Temperatur 8 ”C Gasturbine: lsentroperWirkungsrad 92,32% . Brennstoff: SteirikohteTyp Pittsburgh No. 8 ' Crude 1,013bar KOhlluftanteil vcm ■ ; i Relative Feuchte 60% . Eintrittsmassenstrom 10% HemantaranalyseYivfi C 76,56% Kompressor: einstufig H 526% ; Kaltes Ende: Masse RDddtOhlung IsentroperWikungsgrad. 90% O 5,88% ; Kondensatordmck 0,03 bar . N 1,44% . Dampfturbinen: Iserrtroper V/Momgsgrad 90% S 3,00% : Abhitzekessel: 3-Drock-ProzeB Anzapfung derND-Turbine 2. bar a 0,06% ; Verdampferstufen HD/MD/ND Asche 7,80% ; DrOcke 120/30/5,5 bar Generator; WMcongsgrad 98% Wasser 1,37% Oberttitzer-Pinch 30K ! VonvSrmer-Pinch 10 K Pumpen: IsentroperWikungsgrad 55% Hemverr (wf) 31438 j

Austrittstemperatur 140°C •

...... • ...... UhiVersItat Gesamthochschuie Essen Fachbereich Maschinenwesen FachgebietTechnik der Energieversorgung urid Energieanjageh Prof. Dr.-Ing. ingo Romey PlpWng; Michael Schuknechf, Dipl.-lng. Helmut Rode L- Analyse von Kraftwerksprozessen mit Druckkohlenfeuerung

Model! 1: KombiprozeB mit Hochtemperaturgasreinrgung (~1300°C):

i

Simulationsmodell: Gate-Cycle 5.2.0 .r | i Universitat Gesamthochsch ule Essen Fachbereich Maschinenwesen Fachgebiet technik derEnergieversorgung und Energieanlagen Prof. Dr.-lng. Ingo Romey Dipl.-lng. Michael Schuknecht, Dipl.-lng. Helmut Rode

Analyse von Kraftwerksprozessen mit Druckkohlenfeuerung

Modell 2: KombiprozeB mit HeiBgasreinigung (~950°C):

MODEL DFK230 CASE: DFK23D POWER: 300.67 HR. 7565.40 Err: 4758 IBr—G5-

Simulationsmodell: Gate-Cycle 5.2.0.r

— Optische Messungen im Rauchgas

Dipl.-lng. D. Menke, Dr.-lng. W. Christmann Druckkohlenstaubfeuerung, PreussenElektra

Dieser arbeltet mlt gepulstem Infrarotlicht. Der Uchtstrahl durch- Aufgabenstellungen quert zweimal das MeBvolumen. Das optische MeBsIgnal wird Em-to 8l .(T!r,)-N„(iy durch eine elektronlsche Auswerteeinheit in ein analoges Strom- Zu elner der Hauptaufgaben der MelStechnlk fUr eine druckauf- signal umgewandelt. Dieses Stromslgnal wird elnmal pro Sekun- geladene Kohlenstaubfeuerung gehdrt die Entwicklung und Erpro- de aktualisiert und 1st proportional zum Mittelwert der Transmis­ t: Zeitpunkt der gravimetrlschen Staubmessung bung von Verfahren zur Messung des Staub- und Alkaligehaltes Im sion Uber die letzte Sekunde (Die Messung der Intensltat erfolgt I0: detektierte Uchtmenge bei rauchfreier MeBstrecke Rauchgas vor dem Eintritt in die Gasturblne, um dlese vor unzu- mil netzsynchroner Frequenz von 50Hz). lassig hohen Beladungen zu schlltzen. Zlel 1st es deshalb, ein MeB- I(t): detektierte Uchtmenge verfahren zu finden, daB den Staub- bzw. Alkallgehalt unter den T(t): arithmetischer Mittelwert der Transmission wahrend der gravl- herrschenden Betriebsbedingungen hinreichend schnell und genau b) Streullchtmessungen metrischen Staubmessung (I.d.R. 10 min.) bestimmt. Es wurde ein DMS der Firma DMT eingesetzt. Das Gerdt miBt die Intensltat des unter elnem Winkel von 70° gestreuten Die einfachste MOglichkeit, Messungen durchzuftihren, bleten Ver­ Primaretrahls, bestehend aus gepulstem, monochromatischen fahren, die keinen Eingriff in den Rauchgaskanal erforderiich ma- Infrarotlicht. Das ausgegebene, zur Streullchtlntensltat chen. Daher wurden verschiedene optische MeBverfahren ver- proportionals, Stromslgnal wird ebenfalls elnmal pro Sekunde wendet. aktualisiert. Eine Skizze der MeBstrecke 1st In Abblldung 2 wiedergegeben. Die MeBposItion an der drucklosen Anlage 1st analog zur Druckanlage, Jedoch 1st das MeBgerat nur fUr MeBprinzipien Temperaturen klelner 500°C zugelassen, was eine Veriegung des Elnbauortes direkt vor den ElnspritzkUhler erforderiich machte. Den eingesetzten optischen MeBverfahren liegen Shnliche physlk- alische Prinziplen zugrunde. Alle hier untersuchten Verfahren erfordern die Erstellung von Kalibrierkurven mittels herkOmmllcher Analyseverfahren. (gravimetrische Staubmessung bzw. naBchemische Alkalibestimmung) Staubgehalt tmg/m* I.B.] Staubgehalt Abblldung 4: Zusammenhang Extinktlon - Staubgehalt a) Transmissionsmessung R* » 0.8195, Ein Uchstrahl, der ein Partikelbeladenes Volumen durchstrahlt, wird in seiner Intensltat - durch Absorbtion, Beugung, Brechung r? 300 und Reflexion der auf das Paitikelkollektlv treffenden Lichtwellen - geschwacht. Der Quotient aus dieser Intensltat und der bel par- tikelfrelem Volumen gemessenen Grundlntensltat, wird Transmis­ sion genannt. Der Logarithmus des Kehrwertes der Transmission 1st be! kleinen Staubgehatten proportional zu dlesen, wenn fol- gende Parameter konstant slnd: ♦ MoOpunkte - Dichte und Form der Partikel M 150 — Umar (MeOptride) - gleichmaBIge Konzentration Im MeBvolumen - GrtiBe des MeBvolumens - KorngrOBenverteilung

Ahhilriunn 9 fitrAiilinhtm«ftnArflt AkKIMitAn A■ 71 iaa evsAnUAn/1 CW*< aa U^U b) Streullchtmessungen Abblldung 2: StreullchtmeBgerat Im Gegensatz zu Transmissionsmessungen wlrd hler die In-

tensitat das unter einem fasten Winkel am Pattikelkollektiv gest- Alkaliqehalt »0.96i reuten Uchtes gemessen. Diese 1st direkt proportional zum vor- liegenden Staubgehalt, wenn die in a) genannten Parameter wle- Zum Elnsatz kam der vom Optikzentrum NRW for uns entwickelte derum konstant sind. Die KorngrtiBenvertellung hat aber weltaus Alkali-Checker (Abbildung 3). In der Sendeelnhelt sind eine geringeren EinfluB. Natriumdampflampe und eln Lasermodul sowie bentitigte Ansteuerelektronlk untergebracht. Die Na-Lampe erzeugt Alkaliqehalt modullertes MeBllcht mil einer Welleniange von 589,5nm. Der Laser Zur Zeit 1st eine Messung zur Bestimmung des Natriumgehaltes In emittiert ebenfalls modullertes Llcht mil einer Welleniange von Betrieb. Die Messung basiert auf einer simultanen Transmisslons- 670nm und dient als Referenzsignal. Die beiden Uchtstrahlen ♦ MoGpunkto messung bei zwei verschiedenen Welleniangen. Dabei befindet sich werden zu einem MeBstrahl zusammengefUhrt und durch einen — Unoar (MeGpunkto) die eine Welleniange im Absorptionsspektrum freler Natrium-Atome. FlUssIgkeitslichtwellenleiter zur Einkoppeloptlk am HeIBgaskanal Die andere Welleniange befindet sich auBerhalb und dient der Mes­ gefOhrt. Dort wird der MeBstrahl auf 50mm Durchmesser sung der durch Partikelbeladung verursachten Transmissionsande- aufgeweitet, durchstrahlt Schaugiaser und Rauchgaskanal und wird 0.017 0.022 0,027 0.032 0,037 rungen. Das Verhaitnls der beiden Transmissionen 1st im Berelch vom gegenOberllegenden Empfangersystem erfaBt. Nach Fllterung Extlnktlon kleiner Gehalte freier Natrium-Atome proportional zu diesem, wenn und Aufteilung werden die MeBsignale fUr die beiden Welleniangen folgende Parameter konstant sind: elektrisch In das Elektronlkgehause Ubertragen, verstarkt und an Abbildung 6: Zusammenhang Streulicht - Staubgehalt eine A/D-Wandlerkarte Im MeBwertrechner Ubergeben. - GrtiBe des MeBvolumens Deutlich last sich ein llnearer Zusammenhang der aufgetragenen - glelchmaBIge Konzentration im MeBvolumen MeBwerte In alien drel Abbildungen erkennen. Zur Veranschaulich- ung wurde Jewells eine lineare Trendlinie mittels der Methods der Schauglas Schauglaa - Druck Ankopplungastllck \ I I / /Ankopplunassttick kleinsten Fehlerquadrate fUr die MeBpunkte berechnet und einge- Der Gesamtgehalt an Natrium Im Rauchgas !8Bt sich dann daraus zeichnet. Uber Druck, Temperatur und Zusammensetzung berechnen. Alkaliqehalt

Eine Referenzmessung durch naBchemische Analyse der Natrium- orblndungs- Flk.-UchV gehalte im Rauchgas 1st bisher nlcht mtiglich gewesen, da die para- loitungon Eingesetzte MeBgerate wellenloHer' llele Messung unter konstanten Betriebsbedingungen an Fehlfunk- tionen schelterte. Die optische Messung eriaubte aber die EinflUsse von Betriebsparametern zu erkennen. Als Beispiel sind In Staubgehalt Abbildung 7 die MeBergebnisse elnes Umschaltvorgangs von Kohle- auf Olbetrieb wiedergegeben. a) Transmissionsmessungen Es wurde eln modifizlerter optlscher Filteiwachter FW 56-D/T der 300 j t 3 Sick AG elngesetzt (Abbildung 1). Abbildung 3: Alkali-Checker Kohlefouerung Ooffouerung 250 ■2,5 Laser 1633 runt 7 200 d / MeBergebnisse J I 150 j c Staubgehalt a too i. B I 50 Quotient 0.5 Als Referenzmessung zu den optischen Verfahren wurde eln sell langerem elngesetztes gravlmetrlsches MeBverfahren verwendet. 0 ‘ I'M l.l l-l I. Ill ■■■III I I I — —« »•••“• Q Da hlerbel Uber einen Zeitraum gemessen wird, wurden die MeBer­ 0 200 400 600 800 1000 1200 gebnisseder optischen Verfahren Jewells Uber dlesen gemlttelt. MeBwerte (ein MeBvrert pro Sekunde) gco Abbildung 7: ElnfluB des Brennstoffes In den Abbildungen 4 bis 6 sind die MeBergebnisse elnes Versuchs- betriebes der unter Atmospharendruck betrlebenen Anlage Jewells Wie zu erkennen 1st, wird der MeBstrahl bei Betrieb der Anlage mil gegeneinander aufgetragen. Ol deutlich weniger geschwacht. Dies betrifft sowohl den Referenz- laser, als such die Na-Dampflampe. Der Quotient steigt ebenfalls Die In Abbildung 4 und 6 aufgetragene "Extlnktlon" errechnet sich an, was auf eine Abnahme der Im Rauchgas enthalten freien Na- dabei aus der Transmission wie folgt: Atome Im Grundzustand hinweist. Abbildung 1: TransmissionsmeBgerflt Mefitechniken zur Charakterisierung submikroner, gasgetragener Partikel (1) CD H. Klcmwcchter. Th. Eckbardr. A. Schmidr-Ott und P. Roth Institut TurVcrbrcnnungund Gasdynamik, Gerhard-Mcrcator-Univcrsital-Duisbuis. 47048 Duisburg Parti]celbewegnng im Fluid

gleichformige ReynoldszaM Re Re = -G Pt> *Y <1 Widerstandskraft F ^ • X• V Bewegung h Cc >s => Stokes ’sche Reibung B ist die “Mobilitat ” des Paitikels im Flui Sie ist eine Funktion des Partikeldurchmessers Df beschleunigte “Stopping „ _ ce-pP-Dp v S entspricht dem Weg, den ein Partikel Bewegung Distance 18 n mit der Relativgeschwindigkeit V zum Gas bis zum Erreichen von V=0 zurticklegt

p p)po = Partikel- bzw. Gasdichte Dp = Partikeldurchmesser V= StrOmungsgeschwindigkei Cc = Cunningham Korrekturfaktor t) = dyn. Zahigkeit des Gases D = Bohrungsdurchmesser

Niederdrack - Kaskadenimpakto

Abscheidevermogen eine Impaktor-Stufe Impaktor-Stufe

real “cutoff F^l groBe Partikel Kurvc werden abgeschieden

l ideale kleine Partikel l ^ “cutoff folgen den Stromlinie Kurvc

VST < Paitikeldurchmesse Stokes-Zahl Stk Kaskaden-Impaktor

Verbal tnis zwischen de -entsteht durch Hintereinanderschaltung mehrerer Einzelstufen, die Stk=Pp D^ 'V Cc “Stopping Distance” der nacheinander durchstrOmt werden 9-ri ‘D Partikel und dem Dtlsenradiu der Impaktorstufe -Partikel unterschiedlicher Durchmesser werden auf den veischiedenen Impaktor- Stufen abgeschieden (ca. lOOnm bis einige pm)

- Auswertung durch Wagung der einzelnen Stufen (Offline-Verfahren)

Aerodynamic Particle Sizer (’’Aerosizer” m Aerosol-Eintrit

Probe ftlr MeBstreck “Time of Flight" MeBverfahren (Online

-Aerosol-Probe wird durch eine Dose auf annahemd Schallgeschwindigkeit beschleunigt Ventil fUr Schleierluf

-kleine Partikel folgen der Gasbeschleunigung starker als groBe und erreichen eine hohere Geschwindigkeit fokussierende Dose => Partikelgeschwindigkeit hinter der DQse ist MaB fllr den aerodynamischen Partikeldurchmesser (200nm bis 100pm) - beschleunigende DQse Laserstrahlen (Lichtschranken ftir Geschwindigkeitsmessung

209 Mefitechniken zur Charakterisierung submikroner, gasgetragener Partikel (2) H. KJeinwechtcr, Th. Eckhardt, A. Schmidt-Ott und P. Roth Institut fur Verbrennung und Gasdynamik, Gerhard-Mcrcator-Universitat-Duisburg, 47048 Duisburg

DMPS Differential Mobility Particle Sizer Auflader MeiJgroBen (Online)

Auswertung Die Partikel werden durch Anlagem - GrdBenverteilung von Ionen in definierter Weise aufgeladen. (ca. 10 bis 1000 nm) Computer

- Partikelanzahl- Aerosol- Condensation Particle konzentration (bis 107 /cm3) Eintritt Counter (CPC) Partikel- - Ladungsverteilung Auflader Aufladung Partikel werden durch Aufkondensieren von Alkohol veigroBert und in einer StreulichtmeBstrecke gezahlt

Differential Mobility Analyzer (DMA) Beispiel: PartikelgrdBenverteilung klassifiziert die Partikel entsprechend ihrer elektrischen Mobiiitat Zp im Abgaseines Dieselmotors

nP-e-Q. Vs-fafe/r,) Monodisperses 3 a p DP 2-ji-I-U Schleierluf Aerosol mitRestaerosol z' nP=Anzahl der Ladungen e = Elementarladung Cc = Cunningham Korrekturfaktor I p = kinematische Viskositat des Gases Dp = Partikeldurchmesser < Vs = Strdmungsgeschwindigkeit der Schleierluft Poly- disperses Aerosol Aus der Verteilung der elektrischen Mobiiitat kann die PartikelgrdBen- Partikeldurchmesser / n verteilung berechnet werden, da die Ladungs­ verteilung bekannt ist.

MeBaufbau fur eine Pilotstudie an der Druckkohlenstaubfeuerungs - Versuchsanlage in Dorster? - Probennahme aus dem Rauchgasstrom Probennahme MeBtechnik mit Quarzglas-Ejektoren - gleichzeitig starkes Verdunnen Niederdrack und Abkuhlen f’Einfiieren”)der Probe Kaskadenimpakto zur Vermeidung von nachtrSglichen Verfalschungen bzw. Bildung vonArtefakten

Elektrostatischer Partikelabscheide - Charakterisierung der Pardkelprobe Partikel- bezuglich Ladung, zahler Anzahlkonzentration und GrdBenverteilung DifFerentieller -CPC Mobilitatsanalysato

210 211 SchluRwort zum Druckflamm-Seminar

Dr. D. Guhmann, Bundesministerium fur Wirtschaft und Technologie, Bonn

212 Schluftwort zum Druckflamm-Seminar

Dr. D. Guhmann, Bundesministerium fur Wirtschaft und Technologies Bonn

Vorab mein erster Eindruck von diesem Seminar: Ich bin von dieser Veranstaltung in mehrfacher Hinsicht beeindruckt. So warden an einem Tag 22 Vortrage gehalten, die aufbauend aufeinander ein breites und aussagefahiges Gesamtbild des Erreichten und des noch Notwendigen ergaben. Gleichzeitig mochte ich mich im Namen meines Hauses bei den Organisatoren, die gleichzeitig bei dem Vorhaben federfuhrend sind, bedanken. Fur das Vorhaben for- derlich werden auch die parallelen Presseaktivitaten sein.

Versuche ich den heutigen Tag zusammenzufassen, so muB ich sagen, daB das wissenschaftlich anspruchsvolle Gesamtprojekt groBe Fortschritte erreicht hat; es gibt einigen Optimismus, daB auch das Ziel erreicht werden kdnnte. Bei unserer Veranstaltung sind aber nicht nur unmittelbar Beteiligte anwesend. Es zeigt sich, daB das Projekt auch daruber hinaus wirkt. An dem Vorhaben arbeitet seit 12 Jahren ein Verbund von sechs bis sieben Unter- nehmen: Stromerzeuger und Anlagenhersteller. Insbesondere in den ersten Jahren hat Herr Professor Weber von der Universitat Essen Wesentliches beigetragen. Bis- her wurden insgesamt etwa 55 Mio DM, davon fast 29 Mio DM vom BMFT, in die Entwicklung investiert. Urn die Arbeiten an der 1 MW-Versuchsanlage Dorsten noch wirkungsvoller zu gestalten, wurde durch die Unternehmen im Jahre 1996 eine GbR Druckkohlenstaubfeuerung in Dorsten gegrundet. Da zwischenzeitlich der Aufwand fur begleitende Grundlagenforschungsthemen mit bisher 28 Mio DM, uberwiegend vom BMBF finanziert, relativ groB geworden war, wurde es im Jahre 1996 notwendig, diese Arbeiten an Hochschulen und GroBfor- schungseinrichtungen vor allem anhand des an der Dorstener Anlage Erreichten zu bewerten und so zu einer besseren Koordinierung der Gesamtaktiviaten zu kommen. So entstand das Projekt „Druckflamm“. Wir mochten insbesondere den Herren Dr. Hannes und Teloken sowie den Vorstan- den der STEAG AG und VKR bzw. PreussenElektra Kraftwerke AG fur diese zusatz- liche, fur alle aber ergebnisreiche Unterstutzung danken.

Ich kann die heute dargestellten Einzelergebnisse nicht detailliert bewerten, obgleich vieles direkt nutzbar ist. Es zeigt sich aber, daB vor uns noch ein welter Weg bis zur Losung der wichtigsten Probleme ist. Wir batten alle die Hoffnung, daB wir schon eher zum Ziel kommen wurden.

Wir verfugen aber heute uber bessere Kenntnisse und Grundlagen zur Verbrennung von Kohle unter Druck, zu Materialproblemen, zur Teilchenabscheidung aus dem heiBen Rauchgas und zum Alkalienmechanismus. Es wird aber auch deutlich, daB bei alter notwendigen Oberschneidung oder Paral- lelforschung welter an der inhaltlichen Koordinierung gearbeitet werden sollte, urn begrenzte Ressourcen im Sinne des schnellen und umfassenden Fortschritts der Gesamtaufgabe optimal zu nutzen. Insofern seien auch folgende Fragen erlaubt:

213 - Was ist noch unbedingt zur Realisierung dieses kunftigen Kraftwerksprozesses zu leisten? - Haben wir die richtigen Losungswege? - Wann und wie konnen wir in eine nachste, umfangreichere Phase der Technolo- gieentwicklung eintreten?

Wenn ich es richtig verstanden babe, so sollten jetzt im Mittelpunkt der Arbeit fol- gende Probleme stehen:

1. Die heiRe Reinigung des Rauchgases erreicht noch nicht eine ausreichende Qua- litat, um damit die Gasturbine direkt zu beaufschlagen. Da der Feinpartikelgehalt im Rauchgas noch zu hoch ist, konnten die Probleme eines optimalen Alkalienge- haltes nur ungenugend untersucht werden. 2. Andererseits sollte an der Entwicklung einer robusteren Gasturbine, auch unter Nutzung neuer Erkenntnisse der Werkstoffforschung, gearbeitet werden.

Die gunstigste Losung durfte nur mdglich sein, wenn von beiden Seiten das Ge- samtproblem gemeinsam angegangen wird.

Wie die querschnittlichen Untersuchungen von Herrn Professor Romey zeigen, hat das neue Konzept der Druckkohlenstaubfeuerung ein groRes Entwicklungspotential, wenn welter so gezielt und mit Erfolg gearbeitet wird. Wir sollten auch nicht verges- sen, daR diese Entwicklung in Deutschland inzwischen im Ausland sehr aufmerksam beobachtet und bewertet wird. Das wurde zuletzt auch auf der EU-Konferenz zu Clean Coal Technologies fur Kraftwerke in Dusseldorf wieder deutlich. Diese Kraft- werksvariante fand auch Eingang in das neue EU-THERMIE-Konzept fur Fossil Fuels im Rahmen des 5. EU-Rahmenprogramms.

Um eine Kohlenstaubfeuerung unter Druck auf der Basis des Gas- /Dampfturbinenprozesses zum Erfolg zu fuhren, muR insbesondere die Projektlei- tung der Untemehmen eingehend prufen, wie fur die nachste, kostenintensivere Phase der Demonstrationsanlagen die inhaltliche Bearbeitung auch finanziell gesi- chert werden kann. Das erarbeitete Know-how muR moglichst erhalten bleiben. In Fortfuhrung der guten Erfahrung mit dieser Veranstaltung sollten kunftig ahnliche Seminare, vielleicht starker auf einen der vielen Themenbereiche fokussiert, durch- gefuhrt werden.

Wie so oft im Leben, vor allem aber in der Wissenschaft, wurden einige Fragen fur ein neues Kraftwerkskonzept geldst, aber ahnlich schwierige Probleme sind noch zu Ibsen. Wir sollten dabei das Gesamtziel immer im Auge behalten, d.h. zielgerichtet arbeiten. Unser Haus wird die umfangreichen FuE-Arbeiten zur Entwicklung der Druckkohlen ­ staubfeuerung nach Kraften welter unterstutzen. Ich wunsche uns alien viel Erfolg.

Gluckauf!

214 Teilnehmerliste

Albrecht, J., Dr. Lurgi Umwelt GmbH Hilpert, K., Institut fur Werkstoffe der Energie ­ Prof. Dr. technik Forschungszentrum Julich Ayar, A. Lehrstuhl fur Warmeubertragung und Hohne, D. Institut fur Energieverfahrenstechnik Klimatechnik RWTH Aachen und Chemieingenieurwesen, TU Frei­ berg Bauerle, H., Dr. Lentjes AG Hdwener, H., Dr. Forschungszentrum Julich Bauer, Chr. Institut fur Dampfkesselwesen und Horstmann, P. Druckkohlenstaubfeuerung GbR Verfahrenstechnik Universitat Stuttgart Bergmann, H. RWE Energie AG Guderian, J., Dr. Fraunhofer Institut Umwelt-, Sicher- heits-, Energietechnik UMSICHT Bettinger, S. Siemens AG, Bereich KWU Griebe, S. Energieressourcen-lnstitut e.V. Cott­ bus (ERI) Braun, A. Lehrstuhl fur Warmeubertragung und Hubner, K., Dr. LUAT, Universitat GH Essen Klimatechnik RWTH Aachen Chalupnik, R. RWE Energie AG Jacobs, J., VGB Prof. Dr. Christmann, W., Dr. PreussenElektra Engineering GmbH John, H.-J. STEAG AG Fahlenkamp, H., Fraunhofer Institut Umwelt-, Sicher- Kaiser, M., Dr. DMT - Gesellschaft fur Forschung und Prof. Dr. heits-, Energietechnik UMSiCHT Prufung mbH Forster, M., Dr., Priv. Saarberg AG Keppel, W., Dr. ABB Kraftwerke Mannheim Doz. Foisting, Dr. DMT - Gesellschaft fur Forschung Klasen, T. LUAT, Universitat GH Essen und Prufung mbH Eckhardt, T. Institut fur Verbrennung und Gasdy- Kleinwechter, H. Institut fur Verbrennung und Gasdy- namik Universitat Duisburg namik Universitat Duisburg Ehlers, C. Institut fur Warme- und Brennstoff- Knuth, E. Saarberg AG technik TU Braunschweig Enders, M., Dr. Institut fur Mineralogie Westfalische- Kdnig, J., Dr. RWE Energie AG Wilhelms-Universitat Munster Geipel, H., Bundesministerium fur Wirtschaft und Krautz, H.-J., Prof. Brandenburgische Technische Uni­ Regierungsdirektor Technologie Dr. versitat Cottbus Gillmann, P., Dr. LUAT, Universitat GH Essen Kremer, H., LEAT, Ruhr-Universitat Bochum Prof. Dr. Gomer, K., LUAT, Universitat GH Essen Krusch, C. Institut fur Keramische Komponenten Prof. Dr. im Maschinenbau, RWTH Aachen Gtihmann, D., Dr. Bundesministerium fur Wirtschaft und Leithner, R., Prof. Dr. Institut fur Warme- und Brennstoff- Technologie technik TU Braunschweig Gwosdek, R., Dr. Druckkohlenstaubfeuerung GbR Lockemann, St. Lehrstuhl fur Warmeubertragung und Klimatechnik, RWTH Aachen Hacked, G. LEAT, Ruhr-Universitat Bochum Markus, H., Dr. Forschungszentrum Julich, BEO Hannes, K., Dr. STEAG AG Meyer, B., Institut fur Energieverfahrenstechnik Prof. Dr. und Chemieingenieurwesen, TU Frei­ berg Hecken, M. Lehrstuhl fur Warmeubertragung und Metzlaff, K., Dr. DYKO Industriekeramik GmbH Klimatechnik, RWTH Aachen Heidrich, R., Dr. L.&C. Steinmuller GmbH Mohr, M. LEAT, Ruhr-Universitat Bochum Hein, K.R.G., Prof.Dr. Institut fur Dampfkesselwesen und Morgenstem, U., Dr. KERAPLAN GmbH Verfahrenstechnik, Universitat Stutt­ gart Hesse, H.-P., Mini- Ministerium fur Wirtschaft, Mittelstand, Muhlen, H.-J., Dr. DMT - Gesellschaft fur Forschung sterialrat Technologie und Verkehr des Landes und Prufung mbH NRW Hillemacher, B., Dr. Lehrstuhl fur Warmeubertragung und Muhlhaus, R. LUAT, Universitat GH Essen Klimatechnik, RWTH Aachen

215 Muller, P. P. SEPR Keramik GmbH & CoKG Schuknecht TEE, Universitat GH Essen Murza, S. LEAT, Ruhr-Universitat Bochum Seewald, H., Dr. DMT - Gesellschaft fiir Forschung und Prufung mbH Niepel, H. L. & C. Steinmuller GmbH Sieber, U., Dr. STEAG AG Nobis, V. Lehrstuhl fur Warmeubertragung und Singheiser, L., Prof. Institut fur Werkstoffe der Energie- Klimatechnik RWTH Aachen Dr. technik Forschungszentrum Julich Odenthal, H.-P., Dr. L. & C. Steinmuller GmbH Spiegel, M., Dr. Institut fur Mineralogie Westfalische- Wilhelms-Universitat Munster Oeking, K. STEAG AG Spliethoff, H., Dr. Institut fur Dampfkesselwesen und Verfahrenstechnik Universitat Stuttgart Oeltjen, L. Institut fur Werkstoffe der Energie- Starke, A. Institut fur Energieverfahrenstechnik technik Forschungszentrum Julich und Chemieingenieurwesen, TU Frei­ berg Ortjohann, E., AOR Ministerium fur Schule und Weiterbil- Steffin, C. R. DMT - Gesellschaft fur Forschung und Dr. dung, Wissenschaft, und Forschung Prufung mbH Pavone, D., Dr. Druckkohlenstaubfeuerung GbR Steiner, U.-P. Saint-Gobain Industriekeramik Putnis, A., Institut fiir Mineralogie Westfalische- Stuhlmuller, F. Siemens AG, Bereich KWU Prof. Dr. Wilhelms-Universitat Munster Reichelt, T. Institut fur Dampfkesselwesen und Telle, R., Prof. Dr. Institut fur Gesteinshiittenkunde, Verfahrenstechnik Universitat Stuttgart RWTH Aachen Reimert, R., Engler-Bunte-lnstitut, Universitat Teloken, R. PreussenElektra Kraftwerke AG Prof. Dr. Karlsruhe Renz, U., Prof. Dr. Lehrstuhl fur Warmeubertragung und Thielen, W., Dr. L. & C. Steinmuller GmbH Klimatechnik RWTH Aachen Reymond, G. Saint-Gobain Industriekeramik Tillmann, M. Druckkohlenstaubfeuerung GbR Richter, S. Institut fur Dampfkesselwesen und Walzel, P., Prof. Dr. Mechanische Verfahrenstechnik und Verfahrenstechnik Universitat Stuttgart Apparatetechnik Universitat GH Essen Ristau, H., Dr. Brandenburgische Technische Uni­ Weber, M. STEAG AG versitat Cottbus Rode TEE, Universitat GH Essen Wilhelmi, B. Didier-Werke Romey, I., TEE, Universitat GH Essen Willenberg, W. Institut fur Mineralogie Westfalische- Prof. Dr. Wilhelms-Universitat Munster Sachs, K., Ministerium fur Schule und Weiterbil- Wirtz, S., Dr. LEAT, Ruhr-Universitat Bochum Ministerialrat dung, Wissenschaft und Forschung Salewsky, H. J. Eggerding Ceramics GmbH Witthohn, A. Institut fur Werkstoffe der Energie- technik Forschungszentrum Julich Sax, A. Institut fur Gesteinshiittenkunde Wolzenburg, T., Dr. Fraunhofer Institut Umwelt-, Sicher- RWTH Aachen heits-, Energietechnik UMSICHT Schafer, M., Dr. Forschungszentrum Julich, BED Wuthnow, H. Didier-Werke Schafer, Dr. DMT - Gesellschaft fur Forschung Vydra, K., Dr. Lurgi Umwelt GmbH und Prufung mbH Schafer, J. Lehrstuhl fur Warmeubertragung und Zehner, P., PreussenElektra AG Klimatechnik RWTH Aachen Prof. Dr. Schaup, R. Druckkohlenstaubfeuerung GbR Wirtz, S., Dr. LEAT, Ruhr-Universitat Bochum Schier, M. Engler-Bunte-lnstitut, Universitat Witthohn, A. Institut fur Werkstoffe der Energie ­ Karlsruhe technik Forschungszentrum Julich Schmidt-Ott, A., Prof. Institut fur Verbrennung und Gasdy- Wolzenburg, T., Dr. Fraunhofer Institut Umwelt-, Sicher- Dr. namik Universitat Duisburg heits-, Energietechnik UMSICHT Schnell, Dr. Institut fur Dampfkesselwesen und Wuthnow, H. Didier-Werke Verfahrenstechnik Universitat Stuttgart Scholtholt, H., Dr. STEAG AG, Mitglied des Vorstands Vydra, K., Dr. Lurgi Umwelt GmbH Zehner, P., PreussenElektra AG Prof. Dr.

216